常用的Profinet CCLink EthernetIP EtherCAT現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議介紹

現場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）是20世紀80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現場(chǎng)智能設備互連通訊網(wǎng)絡(luò )。它作為工廠(chǎng)數字通信網(wǎng)絡(luò )的基礎，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現場(chǎng)及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò )，而且還是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術(shù)為主要內容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注，成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并將導致自動(dòng)化系統結構與設備的深刻變革?，F場(chǎng)總線(xiàn)設備的工作環(huán)境處于過(guò)程設備的底層，作為工廠(chǎng)設備級基礎通訊網(wǎng)絡(luò )，要求具有協(xié)議簡(jiǎn)單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點(diǎn)：具有一定的時(shí)間確定性和較高的實(shí)時(shí)性要求，還具有網(wǎng)絡(luò )負載穩定，多數為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)。由于上述特點(diǎn)，現場(chǎng)總線(xiàn)系統從網(wǎng)絡(luò )結構到通訊技術(shù)，都具有不同上層高速數據通信網(wǎng)的特色。

目前國際上有40多種現場(chǎng)總線(xiàn)，但沒(méi)有任何一種現場(chǎng)總線(xiàn)能覆蓋所有的應用面，按其傳輸數據的大小可分為3類(lèi)：傳感器總線(xiàn)（sensorbus），屬于位傳輸；設備總線(xiàn)（devicebus），屬于字節傳輸；現場(chǎng)總線(xiàn)，屬于數據流傳輸。

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)得以實(shí)現的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，是要在自動(dòng)化行業(yè)中形成一個(gè)制造商們共同遵守的現場(chǎng)總線(xiàn)通信協(xié)議技術(shù)標準，制造商們能按照標準生產(chǎn)品，系統集成商門(mén)能按照標準將不同產(chǎn)品組成系統。這就提出了現場(chǎng)總線(xiàn)標準的問(wèn)題。

國際上著(zhù)名自動(dòng)化產(chǎn)品及現場(chǎng)設備生產(chǎn)廠(chǎng)家，意識到現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是未來(lái)發(fā)展方向，紛紛結成企業(yè)聯(lián)盟，推出自己的總線(xiàn)標準及產(chǎn)品，在市場(chǎng)上培養用戶(hù)、擴大影響，并積極支持國際標準組織制定現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準。能否使自己總線(xiàn)技術(shù)標準在未來(lái)國際標準中占有較大比例成份，關(guān)系到該公司相關(guān)產(chǎn)品前途、用戶(hù)的信任及企業(yè)的名譽(yù)。而歷史經(jīng)驗證明：國際標準都是采用一個(gè)或幾個(gè)市場(chǎng)上成功的技術(shù)為基礎。因此，各大國際公司在制定現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準中的竟爭，體現了各公司在技術(shù)領(lǐng)先地位上的競爭，而其終還是要歸結到市場(chǎng)實(shí)力的競爭?，F場(chǎng)總線(xiàn)考慮的出發(fā)點(diǎn)：

— 現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )，現場(chǎng)設備互，互操作性，分散功能塊，通信線(xiàn)供電，開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )

1，增強了現場(chǎng)級信息集成能力

現場(chǎng)總線(xiàn)可從現場(chǎng)設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿(mǎn)足工廠(chǎng)自動(dòng)化及CIMS系統的信息集成要求?，F場(chǎng)總線(xiàn)是數字化通信網(wǎng)絡(luò )，它不單純取代4-20mA信號，還可實(shí)現設備狀態(tài)、故障、參數信息傳送。系統除完成遠程控制，還可完成遠程參數化工作。,

2，開(kāi)放式、互操作性、互換性、可集成性,

不同廠(chǎng)家產(chǎn)品只要使用同一總線(xiàn)標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統為開(kāi)放式，允許其它廠(chǎng)商將自己專(zhuān)長(cháng)的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，市場(chǎng)上將有許多面向行業(yè)特點(diǎn)的監控系統。

3，系統可靠性高、可維護性好,

基于現場(chǎng)總線(xiàn)的自動(dòng)化監控系統采用總線(xiàn)連接方式替代一對一的I/O連線(xiàn)，對于大規模I/O系統來(lái)說(shuō)，減少了由接線(xiàn)點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統具有現場(chǎng)級設備的在線(xiàn)故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場(chǎng)設備的遠程參數設定、修改等參數化工作，也增強了系統的可維護性。

4，降低了系統及工程成本

對大范圍、大規模I/O的分布式系統來(lái)說(shuō)，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統及工程成本。

現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議基于面向開(kāi)放系統連接的ISO 參考模塊(O S I—RM )。但僅用了其中的1、 2、 7 層, 由于考慮到實(shí)時(shí)性 3～ 6 層未采用。同時(shí), 新定義的用戶(hù)層置于應用層之上。

各層定義如下:

層: 物理層定義現場(chǎng)總線(xiàn)的通訊介質(zhì), 即 4～ 20mA標準的替代。

第二層: 數據鏈路層用于監視發(fā)生于各設備間的通訊, 同時(shí)檢測通訊錯誤。

第三層: 應用層規范通訊數據格式, 以便形成所有聯(lián)網(wǎng)設備都可以解釋的信息, 為過(guò)程控制提供服務(wù), 同時(shí)向用戶(hù)層提供接口。

第四層: 用戶(hù)層與一個(gè)獨立的工廠(chǎng)區域相關(guān)聯(lián), 為進(jìn)一步應用提供環(huán)境。具有與高層控制功能的接口。

PROFINET網(wǎng)絡(luò )和外部設備的通訊是借由PROFINET IO來(lái)實(shí)現，PROFINET IO定義和現場(chǎng)連接的外部設備的通訊機能，其基礎是級聯(lián)性的實(shí)時(shí)概念，PROFINET IO定義控制器（有“主站機能”的設備）和其他設備（有“從站機能”的設備）之間完整的資料交換、參數設定及診斷機能。PROFINET IO是設計用來(lái)在以以太網(wǎng)連接的設備提供快速的資料傳輸，且支援生產(chǎn)者－消費者模型（provider-consumer model）。支援PROFIBUS通訊協(xié)定的設備可以無(wú)縫的和PROFINET網(wǎng)絡(luò )連接，不需要IO代理器（IO-Proxy）之類(lèi)的設備。設備開(kāi)發(fā)者可以利用市面上販售的以太網(wǎng)控制器來(lái)開(kāi)發(fā)PROFINET IO設備。PROFINET IO適用在網(wǎng)絡(luò )循環(huán)時(shí)間在數ms的系統。

PROFINET IO系統包括以下幾種設備：

IO控制器，控制自動(dòng)化的任務(wù)工作。

IO設備，一般是現場(chǎng)設備，受IO控制器的控制及監控，一個(gè)IO設備可能包括數個(gè)模組或是子模組。

IO監控器是一個(gè)PC的軟件，可以設定參數及診斷個(gè)別模組的狀態(tài)。

PROFINET IO會(huì )在IO控制器及IO設備之間建立應用關(guān)系（Application Relation,AR），應用關(guān)系中會(huì )定義有不同的參數傳遞、周期資料交換及警告處理等特性的通訊關(guān)系（Communication Relations,CR）。

一個(gè)IO設備的特性會(huì )由設備制造商在GSD（General Station Description）檔中說(shuō)明，所使用的語(yǔ)言是GSDML（GSD標記語(yǔ)言），GSD檔提供PC監控軟件規劃PROFINET組態(tài)所需要的基本資料。

Cclink有三種不同的總線(xiàn)：cclink，cclink ie，CC-Link IE Field Basic，我們只支持CC-Link IE Field Basic。cclink是類(lèi)似485雙絞線(xiàn)，ie是千兆以太網(wǎng)，不能走正常的tcp，ie basic是標準的以太網(wǎng)

CC-Link(Control &Communication Link ,控制與通信鏈路系統),是三菱電機新近推出的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)，其數據容量大,通信速度多級可選擇 ,而且它是一個(gè)以設備層為主的網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。一般情況下 ,CC-Link 整個(gè)一層網(wǎng)絡(luò )可由 1 個(gè)主站和 64 個(gè)從站組成。網(wǎng)絡(luò )中的主站由 PLC 擔當, 從站可以是遠程I/O模塊 、特殊功能模塊 、帶有 CPU 和 PLC 本地站、人機界面、變頻器及各種測量?jì)x表 、閥門(mén)等現場(chǎng)儀表設備 。且可實(shí)現從 CC-Link 到 AS-I 總線(xiàn)的聯(lián)接。CC-Link 具有高速的數據傳輸速度, 最高可達 10 M b/ s 。 CC-Link 的底層通信協(xié)議遵循 RS 485 , 一般情況下, CC-Link 主要采用廣播-輪詢(xún)的方式進(jìn)行通信 ,CC-Link 也支持主站與本地站 、智能設備站之間的瞬間通信 。2005年7月CC-Link被中國國家標準委員會(huì )批準為中國國家標準指導性技術(shù)文件。

CC-Link 網(wǎng)絡(luò )具有完善的 RAS(Reliability , Availability, Serviceability)功能。即自動(dòng)返回、切斷從站、通過(guò)鏈接繼電器/寄存器的錯誤檢測功能 。

Ethernet/IP是一個(gè)面向工業(yè)自動(dòng)化應用的工業(yè)應用層協(xié)議。它建立在標準TCP/IP協(xié)議之上，利用固定的以太網(wǎng)硬件和軟件，為配置、訪(fǎng)問(wèn)和控制工業(yè)自動(dòng)化設備定義了一個(gè)應用層協(xié)議。

　　Ethernet/IP以特殊的方式將以太網(wǎng)節點(diǎn)分成預定義的設備類(lèi)型。Ethernet/IP應用層協(xié)議是基于控制和信息協(xié)議（CIP）層的，提供了從工業(yè)樓層到企業(yè)網(wǎng)絡(luò )的一整套無(wú)縫整合系統。Ethernet/IP使用所有傳統的以太網(wǎng)協(xié)議，構建于標準以太網(wǎng)技術(shù)之上，這意味著(zhù)Ethernet/IP可以和現在所有的標準以太網(wǎng)設備透明銜接工作。更重要的是，將Ethernet/IP建立在一個(gè)標準的以太網(wǎng)技術(shù)平臺上，保證了前者會(huì )隨著(zhù)后者技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)一步發(fā)展。支持Ethernet/IP的團體正致力于編制一個(gè)綜合的穩固的標準，Ethernet/IP上的工作正由多個(gè)經(jīng)銷(xiāo)商參與，包括定制規格以及在經(jīng)認證的測試實(shí)驗室進(jìn)行全面的綜合測試。

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）是一個(gè)開(kāi)放架構，以以太網(wǎng)為基礎的現場(chǎng)總線(xiàn)系統，其名稱(chēng)的CAT為控制自動(dòng)化技術(shù)（Control Automation Technology）字首的縮寫(xiě)。EtherCAT是確定性的工業(yè)以太網(wǎng)，最早是由德國的Beckhoff公司研發(fā)。

EtherCAT可以支持線(xiàn)形、樹(shù)形、環(huán)形和星形等所有設備連接拓撲結構，物理介質(zhì)可以選100Base-TX標準以太網(wǎng)電纜或光纜。使用100Base-TX電纜時(shí)站間間距可以達到100m。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )最多可以連接65535個(gè)設備。使用快速以太網(wǎng)全雙工通信技術(shù)構成主從式的環(huán)形結構。

EtherCAT傳輸機制被稱(chēng)為“On The Fly”，假如將EtherCAT報文想象成一列火車(chē)，每個(gè)帶有從站地址的車(chē)廂對應需要與主站交互數據的從站的子報文，讀/寫(xiě)從站數據，那么就有一個(gè)對應數據地址的座位?；疖?chē)從主站出發(fā)，依次在沿路所有站點(diǎn)（從站）?？?，如果沒(méi)有自己設備地址的車(chē)廂（子報文），則將火車(chē)發(fā)往下一站點(diǎn)，如果有自己的車(chē)廂，等該車(chē)廂上下旅客（數據）完成后，將火車(chē)發(fā)往下一站點(diǎn)，到達終點(diǎn)站后，再返回始發(fā)站，返回過(guò)程中不再交互數據。

這么多的總線(xiàn)協(xié)議是從不同的角度來(lái)考慮設備之間的通信的。但是不幸的是，這些協(xié)議之間是不能直接互聯(lián)互通的。這就像無(wú)線(xiàn)通信一樣，有4G，有wifi，有藍牙等等，也是針對不同的場(chǎng)合解決一定的問(wèn)題。要解決這些問(wèn)題，可以從幾方面來(lái)考慮。1）有一些開(kāi)源的庫，可以嵌入到相應的設備中，用來(lái)支持某個(gè)一種總線(xiàn)協(xié)議，這方便的移植需要非常了解技術(shù)和編程語(yǔ)言，但是穩定性還需進(jìn)一步測試。2）使用vfbox協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)，只需簡(jiǎn)單配置就能實(shí)現各種協(xié)議之間的轉換，穩定可靠，節省時(shí)間，但是需要增加一些項目成本。

現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議現在也是百花齊放，百家爭鳴。每種總線(xiàn)各有自己的特點(diǎn)，現在這些總線(xiàn)也逐漸形成組織，形成聯(lián)盟。后續大家有機會(huì )參加工博會(huì )的時(shí)候，可以看到這些總線(xiàn)聯(lián)盟也不斷的希望更多的產(chǎn)品加入自己的陣營(yíng)。這些組織還不定期的舉辦培訓活動(dòng)。比如ethercat協(xié)議，可以登錄到官方網(wǎng)站查看相關(guān)的信息。https://www.ethercat.org.cn。內容也是非常的豐富。

隨著(zhù)各種技術(shù)的不斷涌現，現在通信協(xié)議也是進(jìn)步的很快，從效率，安全，擴展性等方面不斷的提高以適應大型應用系統的需求。

作為行業(yè)的從業(yè)者，如果要專(zhuān)研技術(shù)，可能吃透1-2中就已經(jīng)很厲害，對于使用者，只要能理解簡(jiǎn)單的協(xié)議內容，通信的注意事項，和各種設備建立連接的使用方法也就足夠了。當然，我們也是更希望這些總線(xiàn)協(xié)議越來(lái)越好，也使這方面的從業(yè)者有更廣闊的發(fā)展空間。