了解运动控制网络

有一段时间自动化在严格点对点的基础上进行，每个驱动器直接连接到控制器。长期的布线花费金钱，花时间安装，增加噪音，频繁或更糟，或更差，产生疯狂的间歇性故障。进入工业现场总线，允许设备在网络上彼此数字地通信。更改简化机器集成，使用和维护急剧。而不是在机器内爬行以诊断驱动器错误，OEM和维护人员可以简单地插入网络上的任何端口以访问所有内容。已经建立了一个令人置信的协议，为运动控制应用提供了各种属性。让我们考虑一些。

术语现场总线是在电气总线上输出的现场设备的级联。早期设备链接机器可编程逻辑控制器（PLC）各种组件。早期版本是一个巨大的进步，但在带宽，网络大小，节点数量的方面仍然有限，以及可以交换的数据量。然后以太网出现，为工业网络提供了良好和挑战。

在加方面，工业以太网运行的数量级比早期现场总线更快。速度从每秒几千台到数百兆位或甚至每秒千兆位。可以转移的数据量从几个字节增加到足够高的级别以支持大数据分析。它还承导了捎带改进和价格削减的承诺，标准以太网物理媒体，交换机等。

问题是标准以太网对运动控制不够确定性。要理解为什么，我们应该从开放系统互连(OSI)结构开始。

按层进行建模通信
OSI模型将网络通信呈现为分层架构，如下所示：

第1层：物理层，例如RS 232、RS 485、IEEE 802.3（以太网）、CAN总线、IEEE 802.11（无线以太网）等。
第2层:数据链路层，管理节点到节点的通信
第3层：网络层，它使消息能够从节点到网络（例如，IP）从节点到节点
第4层:传输层，将数据打包发送到下一层(如传输控制协议(TCP)，用户数据报协议(UDP)等)。
第5层：会话层，管理用于交换数据的通信会话
第6层：表示层，涉及网络和应用程序之间的数据转换
第7层:应用层，许多工业以太网协议驻留在其中

你可以把这个模特想象成一套俄罗斯套娃。数据从一个设备在应用程序层开始,额外的路由信息,如添加在每一层的头部,直到它到达物理层,传播不仅仅携带数据,全面的信息是从哪里来的,它应该去的地方,以及它如何应该移交的途中。该信息使其能够被发送到适当的目的地，并一层一层地拆封，直到接收设备能够获得该信息。例如，通过这种方式，PC可以将作业发送到打印机。

理论上，PLC应该能够使用相同的技术来从编码器收集数据或将命令发送到驱动器。不幸的是，它并不容易。

在OSI模型的第一层和第二层定义了以太网协议(IEEE 802.3)。尽管许多人将以太网与TCP/IP通信联系在一起，但它们实际上并不是以太网标准的一部分。它们是第3层和第4层协议，如上所述;此外，它们不是执行这些任务的唯一解决方案，只是最广为人知的解决方案。

以太网上的TCP/IP在互联网上工作得很好，但对于高度同步的运动提出了问题。对于初学者来说，TCP/IP是基于尽力交付的前提。网络上的每个节点都有权利在任何时候进行传输。为了防止数据包受到干扰，该标准包括带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)。如果两个节点试图同时发送一个数据包，它会被检测到，其中一个会被延迟，直到总线清除。这可能会增加几百毫秒的传输延迟。当你在YouTube上下载猫的视频时，这不是一个问题，但对于每分钟300瓶的封口机高度同步的动作来说，这可能意味着灾难。

消息传递时间的变化称为抖动。对于硬实时应用程序，抖动应该小于1µs。为了实现这种确定性，业界已经开发了许多不同的以太网方法。

可以
控制器区域网络(CAN)是一个多主串行总线系统，具有多点能力。CAN现场总线最初由博世(Bosch)开发，用于连接汽车应用中的控制器，后来被发布到CAN in Automation (CiA)，并作为ISO 11898标准化。CAN现场总线(现在称为经典CAN)提供高达500kbps的数据速率，名义上是40米的距离(实际实现会更短)。将数据速率削减到125kbps，长度就延伸到了500米。data字段被限制为8字节。该标准主要涵盖OSI模型中的第1层和第2层(物理层和数据链路层)。

可以是一个事件驱动的与时钟驱动的协议，因此没有指定的循环时间。抖动在比特级别为±1可以时间量Quanta（网络时间间隔）。消息级抖动是消息减去一位的最大长度。网络的节点数因设备和网络拓扑而异。实际上，线性拓扑可以很容易地支持64个节点，但具有仔细的设计，可以更高。

最近，CiA升级了原始标准版本，创建了CAN灵活数据速率标准(CAN FD)协议。数据链路层现在支持超过1mbps的数据速率和64字节的数据字段。当只有单个节点进行传输时，不需要节点之间进行同步，这将临时提高速度。这样做的代价是，在发送确认(ACK)槽位之前，节点需要重新同步。

canopen.
为了提高连通性，中情局开发了CANopen。CANopen协议占据OSI模型的第7层，利用CAN数据链路规范进行数据传输。它是一种混合的主从和点对点体系结构，其中网络上的任何节点都可以与其他节点通信并控制其他节点，同时自身充当不同主节点的从节点。可以为网络中的每个节点分配一个优先级，以便在发生数据冲突时，以最重要的节点为准。

CANopen基于面向对象的数据模型，具有标准化的通信对象（COB）。每个CANopen设备包含三个元素：协议栈来处理可以通过网络通信，用于内部控制和接口处理硬件的应用软件以及CANopen对象字典。对象字典定义其使用的数据类型，并包含有关设备的所有相关数据，包括面向应用程序的参数和通信参数。

对象字典不只是包含静态值。例如，可以将条目写入设备的对象字典，以告诉它打开。相反，对象字典可以使用最新的操作参数进行更新。

要访问对象库，Canopen使用来自其软件堆栈的一对协议：服务数据对象（SDO）和进程 - 数据对象（PDO）。SDO使其他节点能够一次将数据读取或写入单个节点。虽然它可以用于动态数据，但它最适合配置。要读/写高优先级控制和状态数据，PDOS提供更好的解决方案。协议栈中的其他组件包括网络管理工具，错误控制功能，以及类似同步和时间戳的特殊功能。

CANopen在高达25米的标称总线长度上以高达1mbps的数据速率运行。将速度降至10kbps延伸至5000米。CANopen最多支持127个节点;如果每个节点都成为主节点，则可能的节点总数为10,000。

CC-Link.
CC-Link是由此开发的现场总线三菱电气1997年并于2000年发布到CC-Link合作伙伴协会（CLPA）。它基于RS 485物理层的修改版本，可以在网络上通过总线连接到网络上的64个节点，只需100米。它提供10 Mbps的顶级速度，并支持低至10毫秒的循环时间。

化工即
2007年，CLPA发布了一个名为CC-Link IE的确定性工业以太网协议，其中包含一个名为CC-Link IE Field motion的同步运动变体。基于全双工铜或光纤总线，CC-Link IE Field Motion通过主从架构提供同步通信。CC-Link IE Field是第七层协议。虽然它在第1层和第2层使用千兆以太网，但在第3层和第4层任务中不使用TCP/IP或UDP/IP。为了防止数据冲突，它使用令牌传递，即主节点按用户定义的顺序将“令牌”串行地发送给每个节点。只有在任何时候拥有令牌的节点才能将数据放到网络上。

CC-Link IE Field Motion支持具有在专用带宽上的循环通信的硬实时运动。它单独分配带宽用于无循环传输（“瞬态”消息传递）按需数据。

正如物理层所建议的，协议以1gbps的最大数据速率运行。每个网络最多可连接254个节点，电缆长度可达100米，光纤长度可达550米。兼容星形网、线形网、混合星形网、线形网和环形网。

通用工业协议(CIP)
最初由艾伦 - 布拉德利开发，现在罗克韦尔自动化，普通工业协议（CIP）是一个独立于媒体的工业自动化标准系列。它定义了自动化的综合通信服务，包括控制，运动，安全性，同步等。它构成了一种应用层，可以通过各种不同的物理和传输层实现，例如DeviceNet，以太网工业协议（以太网/ IP）等。

CIP基于生产者-消费者模型，而不是源-目标方法。生产者是生成数据的现场设备，而消费者是使用该数据的设备;有些设备可以两者兼备。其主要好处是，如果多个消费者需要相同的数据，生产者只需要传输一次，而不管网络上有多少消费者。这提高了带宽效率，并允许使用各种层次结构，如主从、从多主、目标到发起者和点对点。

CIP是一种面向对象的协议，其中每个设备与一系列对象相关联，这些对象详细介绍了其特征，性能以及它在网络上通信的特征。该协议包含三种类型的对象：必需对象，应用程序对象和特定于供应商特定对象。在所需的对象中是身份对象（每个设备的排序方式），消息路由器对象（指示对象通信）和网络对象（描述连接对象所需的网络详细信息）在网络中）。

应用程序对象描述设备封装数据的方式。电机的应用对象可能包括大小，当前额定值和速度。设备可能需要组合以创建对象配置文件的多个对象。为了简化实现，CIP协议包括预定义应用程序对象和配置文件库库。可以将对象分组成组件，使其可以建立不同行为的规则;例如，可以创建一个组件来监视以100-ms间隔以100-ms间隔的电流表的输出，而另一个可以建立在它们超过一些触发点时捕获值。用户只需选择最适合他们的需求的装配。

特定于供应商的对象使制造商能够自定义超出库中可用对象范围的对象。

CIP包括两个关键扩展，使它适合运动控制:CIP同步和CIP运动。CIP Sync基于IEEE 1588精确时间协议标准，是一个使用CIP对象模型的分布式时钟。CIP运动功能运动概况包括驱动器控制。示例包括驱动器配置、状态、诊断属性和服务;单播control-to-drive通信;多播点对点通信同步位置和速度的驱动器从多个分布式控制器，等等。

设备网
DeviceNet是由Allen Bradley的20世纪90年代开发的，DeviceNet是一种数字现场总线，用于连接工业控制器和I / O设备。IT协议可以支持传统集中控制的主从架构或用于对等对等连接的分布式控制。它可以链接最多64个节点，顶级速度为500 kbps。虽然它不是用于运动，但它可以是一个经济的解决方案，如简单运动系统中的连接编码器。

DeviceNet在CAN规范的第1层和第2层之上实现CIP。CIP处理第5层到第7层，而DeviceNet负责网络层和传输层的任务。物理层在同一总线上提供通信和高达24 VDC、8 A的电源。

ethercat.
Ethernet for Control Automation Technology（EtherCAT）是一种实时工业以太网协议，专为高速、高同步操作而设计。它最初由Beckhoff Automation于2002年开发，2003年转让给EtherCAT技术集团。它是IEC 61158涵盖的开放标准。它提供100µs或更高的循环时间和小于或等于1µs的抖动。

Ethercat是第1层和第2层协议。在第2层中，它只使用MAC层才能识别节点位置并向它们发送。专为实时应用而设计，它允许确切调度节点到节点通信。同时，它可以将标准以太网流量携带，例如，与监督控制和数据采集（SCADA）系统或制造执行系统（混乱）通信。为了完成标准以太网通信，协议将以太网帧与EtherCAT帧中的标头嵌入，在接收设备上未包装。被称为SheckPort的专用硬件设备将数据嵌入到EtherCAT段中。

EtherCAT基于主从架构。主节点按顺序向每个从节点发送电报。每个从设备都有一个专用的控制器，能够处理硬件中的帧。当电报到达时，从设备读取适用的数据，实时插入自己的数据，并将其传递给下一个节点。在总线的末端，信号返回，这是全双工总线提供的。

让每个数据包在返回之前通过每个节点确实会在每个节点引入少量的延迟，并且必须在调度中进行补偿。计时基于分布式时钟。第一个从节点充当主时钟，将其分配给网络中的其他节点。协议修正传播延迟以维持抖动规范。

该协议支持100 Mbps的名义数据速率，利用率为90%。每个master可以支持65,535个slave。每个从站还可以控制轴和处理I/O，导致更大的网络实现。

EtherCAT在从设备中需要一个专门的处理器。该协议可与CANopen和SERCOS III互操作，使EtherCAT网络能够与CANopen和SERCOS III支持的设备接口和通信成为可能。

以太网/工业协议
以太网/IP是一种工业网络协议，适用于CIP标准以太网。以太网/IP将CIP用于会话、表示和应用层(第5层到第7层)，而将以太网用于第1层和第2层。它还在第3层和第4层利用TCP/IP和UDP/IP。这使得它不仅可以使用标准的以太网设备，还可以在机器数据的同时传输互联网流量。为了实现硬实时运动所需的确定性，以太网/IP使用CIP motion。

以太网/IP将通信分为显式消息传递和隐式消息传递。显式消息传递涉及非实时通信的请求/应答，并在TCP/IP上发生。这种通信类型的例子包括配置参数和获取缓慢变化的数据。隐式消息包括实时I/O，比如从远程I/O设备传输控制数据。这种类型的通信通过UDP/IP传输。

通过利用CIP Motion和CIP Sync, EtherNet/IP可以实现多达100个轴的毫秒更新速率，抖动小于100 ns。

以太网PowerLink.
POWERLINK是一个基于软件的工业以太网协议。开发的B＆R工业自动化2001年，2003年交给以太网PowerLink标准化组（EPSG），以太网PowerLink是一个第7层协议，可提供适用于运动控制应用的硬实时性能。它在以太网和CANopen协议上构建，同时为高度同步运动同时既可确定性，并且在标准TCP / IP帧中发送用户信息等非实时数据。

功能介绍，以太网PowerLink呈现混合主从站和对等体系结构。该网络具有管理节点，该管理节点控制时钟/通信调度以及已知称为受控音符的许多从节点。管理节点发出时钟信号以同步通信。接下来，在设定时间表中，它发送所有节点，该节点可以包括用于信息的命令和请求的轮询消息。作为响应，每个节点都会发出自己的帧。传输不仅返回到管理节点，而且仅返回到网络中的所有其他节点。

以太网PowerLink的一个重要属性是每个节点本身都可以作为管理节点。这使其能够向其他从节点发送命令/请求以创建嵌套网络的体系结构。

每帧包含一个用于实时消息的同步部分和一个用于传输标准TCP/IP以太网的异步部分。因此，系统可以在多个帧内同时传输同步段中的路径命令和异步段中的非时间敏感数据，如摄像机图像。

Ethernet POWERLINK以100 Mbps的标准以太网速度运行，最小周期时间为200µs，抖动约为20 ns。每个管理节点最多可控制259个节点。因为每个受控节点都可以充当管理节点，Ethernet POWERLINK网络上支持的设备的实际数量要高得多。它是一个开源标准，尽管受控节点设备确实需要硬件，这些硬件可以通过FPGA或专用芯片上的软件实现。

PROFIBUS.
PROFIBUS由德国公司和大学合作于1987年推出，它采用主从结构，以12 Mbps的速度发送数据。它基于RS-485物理层。该协议分为两类：PROFIBUS-DP（用于分散式外围设备）和PROFIBUS-PA（用于过程自动化）。我们将把讨论局限于用于运动控制的PROFIBUS-DP。有趣的是，PROFIBUS-DP也可用于过程控制。这在制造业尤其有用，因为在制造业中，离散自动化和基于过程的自动化经常并行进行。

PROFIBUS包含第1层和第2层。在操作中，PROFIBUS主节点轮询从节点，从一个接一个的节点发送数据和请求数据。总线的周期时间由该过程的持续时间定义。因为这些消息是总线上的唯一信号，并且通信由主节点调度，所以这是一个完全确定的解决方案。

支持的节点数量由RS-485芯片上的驱动程序限制：每个段的32个节点，每个网络128个节点。出于实际目的，大多数网络都坚持使用几个段，并将多个网络耦合在一起以获得更高节点计数。

PROFINET公司
PROFINET是一种基于生产者 - 消费者架构的交换包网络协议。生产者节点轮询消费者节点但与PROFIBUS不同，不受限制地限制以恒定的间隔。值得注意的是，PROFINET不使用PROFIBUS现场总线或协议。PROFINET基于以太网层1和第2层解决方案，并占据层7.它存在于多种变化;PROFINET IRT对运动控制界非常感兴趣。

为了避免网络和传输层引入的延迟，PROFINET有自己的Ethertype。当设备检测到帧中的PROFINET Ethertype时，它会绕过网络层和传输层，将数据直接发送到应用层。这样就避免了TCP/IP等协议带来的延迟和抖动。没有Ethertype的流量通过标准流。这使得网络既可以支持硬实时运动控制通信，也可以支持配置数据或诊断等时间较短的数据。Jitter小于1µs。

为了实现同步运动，PROFINET IRT使用ieee1588-2008。与ieee1588不同，ieee1588-2008定义了嵌套控制系统的分布式时钟，ieee1588-2008描述了主时钟和驱动器之间的单个控制回路。这种透明的时钟减少了更复杂的体系结构可能引入的延迟。该协议还使用调度来均衡来自各个节点的数据包的到达时间。主机首先向最远的节点发送数据包以减少抖动。

因为它们不需要TCP/IP传输所必需的报头信息，PROFINET实时帧往往很小。该协议利用带宽预留来保证实时帧的可用性，而不是更大的“最佳努力”TCP/IP帧。这使得可以与运动轴进行确定性通信，同时对传统以太网流量保持开放，包括HMI发送的打印作业。

sercos.
串行实时通信系统(SERCOS)是一种用于硬实时运动应用的光纤自动化总线，由一个德国机床联盟在1980年代开发。1995年，它被标准化为IEC 61491。基于环形拓扑结构，SERCOS的运行速度可达16mbps。该网络可支持254个设备/环，每个设备的使用周期为62.5µs，抖动小于1µs。

SERCOS采用主从架构。主节点向所有节点发送主同步电报。接下来，按照用户定义的顺序，每个节点依次传输其数据。当这个过程结束时，主节点发送主数据电报，其中包含每个节点在指定位置的数据。

为了确保互操作性，该标准指定了500多个数据块和运动控制功能。网段采用塑料光纤可达50米，玻璃光纤可达250米。

Sercos III.
SERCOS III是一种基于光纤的工业以太网协议，能够以±10 ns的抖动连接到511个设备。此外，用户可以在一个给定的安装中拥有多个网络。SERCOS III可以在从机到从和控制器到控制器(机器到机器)模式下操作。它支持多种拓扑结构，包括线或环。该协议在第1层和第2层使用快速以太网，让用户可以选择双绞线或光纤作为总线。

在SERCOS网络中，主机发送同步电报，并启动周期进行实时通信，时间范围从31.5µs到65ms。周期越长，可以查询的节点数量就越大。一旦传输完成，主机释放剩余的周期时间，让总线用作统一的通信信道。在此期间，其他类型的数据(如TCP/IP甚至EtherNet/IP)都可以使用总线。当循环结束时，主节点恢复控制。

今天的工业网络解决方案为原始设备制造商和最终用户提供了许多选择。首先确定网络的大小以及对通信类型和频率的要求。仔细研究以上列出的现场总线将发现最佳解决方案。

致谢
感谢以下个人提供的有用对话:Michael Bowne, PI North America;Sari Germanos，贝加莱工业自动化业务发展经理;达龙·安德伍德，金星首席技术官;还有CLPA经理约翰·沃兹尼亚克

参考
https://www.odva.org/Technology-Standards/EtherNet-IP/Overview
http://us.profinet.com/
http://us.profinet.com/wp-content/uploads/2012/11/PROFINET_SystemDescription_ENG_2014_web.pdf

http://www.ethernet-powerlink.org/fileadmin/user_upload/Dokumente/Industrial_Ethernet_Facts/EPSG_IEF3rdEdition_en.pdf
http://www.ethernet-powerlink.org.
https://www.ethercat.org/default.htm.
https://www.odva.org/Technology-Standards/Common-Industrial-Protocol-CIP/Overview