四、openSAFETY用于各種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
1. PROFINET上的openSAFETY
PROFINET技術(shù)的發(fā)展主要來自于西門子和其他PROFIBUS用戶組織PNO的成員。它的名字是“process field network”的縮寫。PROFINET是Profibus DP的以太網(wǎng)類的繼承者。其通信系統(tǒng)有I/O控制器之間的完整的數(shù)據(jù)傳輸說明，以及參數(shù)化、診斷和網(wǎng)絡(luò)實施的說明。根據(jù)時間要求不同，PROFINET又被分為PROFINET RT和PROFINETIRT，前者沒有或是軟實時，后者硬實時。
?原理
PROFINET使用不同協(xié)議和服務(wù)來滿足不同性能級別要求。根據(jù)用戶需求和一定原則，實時型PROFINET RT可以在一個循環(huán)周期內(nèi)發(fā)送有效載荷數(shù)據(jù)和對時間要求不高的數(shù)據(jù)。又預(yù)留一個RT通道，通過以太網(wǎng)協(xié)議傳輸高優(yōu)先級的載荷數(shù)據(jù)。而診斷和配置信息通過UDP/IP發(fā)送。因此，對于I/O的應(yīng)用，循環(huán)周期可以達(dá)到10ms。應(yīng)用基于交換管理的時分復(fù)用，PROFINET RT時鐘同步的1ms以下的循環(huán)周期，滿足運動控制的要求。PROFINET IRT采用一種特殊幀格式——PROFINET實時報文，使信號端需要一種特定的ASIC才能工作。
?用戶組織
PROFIBUS & PROFINET International (PI)代表PROFINET。它是一個傘式組織，與PROFIBUS用戶組織PNO和24個區(qū)域性PROFIBUS組織協(xié)力發(fā)展。
?openSAFETY
openSAFETY因其黑色通道原理與數(shù)據(jù)傳輸機制分離，使得PROFINET同其他協(xié)議一樣，對openSAFETY的實施毫無影響。
2. SERCOS III上的openSAFETY
作為一個開源、獨立于生產(chǎn)商的數(shù)字驅(qū)動接口標(biāo)準(zhǔn)，SERCOS III不僅定義了物理連接的硬件結(jié)構(gòu)和協(xié)議結(jié)構(gòu)，也支持廣泛的配置文件定義。Sercos接口最初在1985年引入到市場，到今天第三代的SERCOS III，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，主要用于運動控制為主的自動化系統(tǒng)。
?原理
SERCOS III需要主站和從站端都有專用硬件才能工作。該專有硬件將CPU從通信任務(wù)中解放出來，確保快速實時數(shù)據(jù)處理和硬件為基礎(chǔ)的同步。SERCOS用戶組織提供SERCOS III IP core支持用FPGA的SERCOS III硬件開發(fā)。
SERCOS III使用幀求和的方法，要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用菊花鏈或閉環(huán)的方式連接。數(shù)據(jù)在每經(jīng)過一個設(shè)備的時候就被處理，不同通信類型對應(yīng)不同報文類型。由于以太網(wǎng)連接的全雙工特點，菊花鏈已經(jīng)滿足一個單環(huán)，而一個適當(dāng)?shù)耐負(fù)鋾a(chǎn)一個雙環(huán)，可以滿足冗余數(shù)據(jù)的傳輸。每個節(jié)點有兩個通信接口（用于菊花鏈和環(huán)形網(wǎng)），使其具有交叉通信的功能。實時報文會來回經(jīng)過線路中每個節(jié)點，即，他們在每個循環(huán)周期里被處理兩次。所以，設(shè)備可以在一個循環(huán)周期中完成彼此通信，無需先經(jīng)過主站。
實時通道使用有預(yù)留帶寬的時間槽來確保沒有沖突的數(shù)據(jù)傳輸。除此之外SERCOS III還提供一個可選的非實時通道。節(jié)點在硬件層面同步，它直接從通信周期開始的第一個實時報文中取得同步信息。主站同步報文（MST）為此被嵌入到第一個報文中。為保證同步便宜地域100ns，一個基于硬件的過程負(fù)責(zé)補償因以太網(wǎng)硬件導(dǎo)致的系統(tǒng)差異。各種網(wǎng)絡(luò)可以使用不同的循環(huán)時鐘，依然達(dá)到完全同步。
SERCOS III上實現(xiàn)openSAFETY的層級式模型
?用戶組織
SERCOS International e.V.是一個支持該技術(shù)持續(xù)發(fā)展并堅守該標(biāo)準(zhǔn)的注冊協(xié)會。超過50家控制系統(tǒng)生產(chǎn)者和30家以上伺服制造商是其成員。
?openSAFETY
利用“黑色通道原理”，openSAFETY在現(xiàn)有SERCOS III方案原封不動的基礎(chǔ)上就可以實施。
SERCOS III有交叉通信的功能。openSAFETY利用該功能進(jìn)行周期性安全數(shù)據(jù)交換。SSDO在非實時通道（NRT）傳輸。通過SERCOS III功能配置（FSP），可以確保理想的停泊。（ideal docking）
安全SERCOS III網(wǎng)絡(luò)的一個典型環(huán)形拓?fù)?/STRONG>
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3. EtherNet/IP上的openSAFETY
EtherNet/IP在2000年發(fā)布，是由Allen-Bradley (Rockwell Automation)和OVDA (Open DeviceNet Vendors Association) 開發(fā)的、開源的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。“以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議”（EIP）本質(zhì)上是CIP（Common Industrial Protocol）應(yīng)用協(xié)議的一個端口，被用在ControlNet和DeviceNet上。在美國市場上尤其成功，經(jīng)常用于羅克韋爾的控制系統(tǒng)中。
原理
EtherNet/IP運行于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件之上，使用TCP/IP和UDP/IP為數(shù)據(jù)傳輸。因CIP協(xié)議支持的“生產(chǎn)者/消費者”功能，EtherNet/IP可選用各種各樣的通信機制，比如輪詢，定時或事件觸發(fā)，多重廣播或點對點連接。
針對的配置和數(shù)據(jù)請求，CIP應(yīng)用協(xié)議會區(qū)分“隱式”的I/O信息和“顯式”的查詢/應(yīng)答報文。顯式信息被嵌入到TCP幀中，實時應(yīng)用信息通過UDP發(fā)送，因其更緊湊的格式和較小的幀頭。以太網(wǎng)幀里的VLAN標(biāo)識是用來給予實時數(shù)據(jù)以優(yōu)先級的。交換機作為星形網(wǎng)絡(luò)的中心，防止通過點對點連接的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)沖突。EtherNet/IP一般能達(dá)到10ms的循環(huán)周期這樣的軟實時性能。增強的擴展協(xié)議CIPSync和CIPMonitor目前尚不可用。IEEE1588中規(guī)定通過分布時鐘實現(xiàn)的節(jié)點精確同步能達(dá)到滿足伺服電機控制所要求的足夠小的循環(huán)周期和抖動。
openSAFETY應(yīng)用于EtherNet/IP的層級式模型。
用戶組織
Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) and ControlNet International這兩個組織聯(lián)合負(fù)責(zé)CIP技術(shù)的維護(hù)和發(fā)展。
openSAFETY
openSAFETY的黑色通道原理可以讓其輕松實施于EtherNet/IP之上。通過EtherNet/IP，openSAFTY可以通過它自己的組件建立連接。安全通信便在此之上進(jìn)行。在這種方案里，安全設(shè)備自己既做“生產(chǎn)者”也做“消費者”，因此可以監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的安全數(shù)據(jù)。
典型的安全EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)的星形拓?fù)?BR>
4. Modbus-TCP上的openSAFETY
早在1979年美國PLC生產(chǎn)商Gould Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣的一個部門）就開發(fā)Modbus協(xié)議。它被認(rèn)為是最早現(xiàn)場總線協(xié)議之一，可以實現(xiàn)不同廠家的系統(tǒng)和設(shè)備之間的通信。后來Modbus差不多成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它是一個純應(yīng)用層協(xié)議，即它不依賴于傳輸介質(zhì)。
Modbus-TCP由施耐德自動化設(shè)計和發(fā)起，采用與之前總線相同的服務(wù)和模型，即Modbus ASCII, MODBUS RTU（異步數(shù)據(jù)通過RS232或RS485的傳輸）和Modbus Plus （令牌傳遞）。只是新版使用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是以太網(wǎng)，使用TCP/IP包傳遞數(shù)據(jù)。
原理
Modbus-TCP不像標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)那樣在數(shù)據(jù)鏈路層使用CSMA/CD方式來控制節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的接入，而是通過應(yīng)用層的客戶端/服務(wù)器原理來處理訪問的控制。也就是說網(wǎng)絡(luò)上每個節(jié)點都被分配一個獨一無二的地址，且只有當(dāng)主站通過明文提示通知節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點才能發(fā)送。
參數(shù)和數(shù)據(jù)在發(fā)送前被封裝，并被嵌入到TCP報文的有效載荷數(shù)據(jù)容器中。同時“Modbus Application Header”(MBAP)也被放到載荷數(shù)據(jù)中，以確保服務(wù)器在接受到信息時能夠正確解析Modbus參數(shù)和指令。每個TCP/IP報文中只能嵌入一個Modbus應(yīng)用報文。
和任何使用TCP的協(xié)議（TCP——傳輸控制協(xié)議）一樣，Modbus-TCP也是基于連接的。在實際數(shù)據(jù)傳輸之前，主站和從站之間必須建立一個可靠的連接，以確保數(shù)據(jù)能夠被完整的、順序正確地接受。連接一旦建立，客戶端和服務(wù)器可以傳輸任意多的載荷數(shù)據(jù)。對于周期性輸入輸出數(shù)據(jù)傳輸，連接是常在的。對于服務(wù)數(shù)據(jù)來說，只在實際使用時候才建立。服務(wù)器和客戶端的節(jié)點可以同時建立和維持多個TCP/IP連接。
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在Modbus-TCP上實現(xiàn)openSAFETY的層級式模型
用戶組織
總部在美國的Modbus組織(Modbus-IDA)負(fù)責(zé)為其用戶和Modbus-TCP設(shè)備生產(chǎn)商的發(fā)展服務(wù)。
openSAFETY
Modbus-TCP并不例外，在黑色通道原理下，數(shù)據(jù)傳輸機制和安全層完全分離，互不影響。加入了以太網(wǎng)的Modbus不局限于TCP/IP通信，也會使用UDP/IP。openSAFETY利用這一點，非周期性安全數(shù)據(jù)通過TCP/IP幀傳播，周期性數(shù)據(jù)，根據(jù)openSAFETY保障機制在復(fù)制之后，通過UPD/IP傳輸。
安全Modbus-TCP網(wǎng)絡(luò)
5. POWERLINK上的openSAFETY
POWERLINK是2001年由貝加萊(B&R)開發(fā)的實施工業(yè)臺網(wǎng)協(xié)議。其特點包括微妙級的循環(huán)周及，普遍可用性，和網(wǎng)絡(luò)配置的高度靈活性。而且它是一個完全無需授權(quán)、獨立于供應(yīng)商的、基于軟件的實時系統(tǒng)，并且從2008年開始完全開源。同時POWERLINK無需專用硬件，可以讓用戶從版權(quán)和供應(yīng)商中獨立出來。POWERLINK給予用戶完整的CANopen機制，同時又100%符合IEEE802.3 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。也因此，POWERLINK可以實現(xiàn)一切標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的特性，包括交叉通信，熱插拔，靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?BR> 原理
POWERLINK使用時間槽和輪詢方式來達(dá)到同步的輸出傳輸。為了確保協(xié)同，使用一個PLC或工控機來作為管理幾點（MN）。它負(fù)責(zé)管理同步所有設(shè)備的循環(huán)周期，控制周期性數(shù)據(jù)通信。其他設(shè)備都以受控節(jié)點（CN）的方式工作。在一個時鐘周期里，MN以固定順序一個一個地發(fā)送“輪詢查詢”到各個CN。每個CN立即發(fā)出“輪詢響應(yīng)”，其他所有節(jié)點也都可以聽到這個響應(yīng)。
一個POWERLINK周期由3個階段組成：在開始階段，MN發(fā)送一個“周期幀開始”（SoC）給所有CN以時期同步。抖動，即周期波動導(dǎo)致的時鐘率的偏差能達(dá)到100納秒左右。周期性同步數(shù)據(jù)的交換在第二階段機型（周期階段）。在這個極端，復(fù)用技術(shù)可以使帶寬獲得優(yōu)化。第三階段是異步數(shù)據(jù)階段，可以用來傳輸體積較大、對時間不敏感的數(shù)據(jù)。用戶數(shù)據(jù)之類被分到幾個周期內(nèi)的異步數(shù)據(jù)傳輸階段傳輸。POWERLINK區(qū)分實時和非實時域。由于異步階段的數(shù)據(jù)傳輸支持標(biāo)準(zhǔn)IP幀，路由器可以將數(shù)據(jù)從實時域中安全而透明地分離出來。
openSAFEY應(yīng)用于POWERLINK的層級式結(jié)構(gòu)
用戶組織
有著民主章程的獨立組織，Ethernet POWERLINK Standardization Group（EPSG）在2003年由自動化行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者創(chuàng)立，將POWERLINK技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和不斷發(fā)展、增強作為基本目標(biāo)。EPSG與領(lǐng)先的標(biāo)準(zhǔn)化組織，比如CAN in Automation(CIA)和Open Source Automation Development Lab (OSADL)合作。
openSAFETY
openSAFETY可以簡便的在POWERLINK上實施，對底層通信協(xié)議沒有影響。POWERLINK提供程序的交叉通信機制，并籍此達(dá)到極短的安全反應(yīng)時間。所用用于初始化和對系統(tǒng)參數(shù)化都走在POWERLINK的異步通信通道中。
一個安全POWERLINK網(wǎng)絡(luò)；一般來說，所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是可行的。
6. 你的現(xiàn)場總線上的openSAFETY
除了市場上那些人們熟悉的、廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)，或甚至一些不為人們熟知的特殊的協(xié)議，還有一些不少自動化應(yīng)用一直采用的定制的供“內(nèi)部”使用的總線系統(tǒng)。在許多類型工業(yè)中都有這種情況，一個統(tǒng)一的實施方法既沒有被標(biāo)準(zhǔn)化，也沒經(jīng)過認(rèn)證。這時，openSAFETY便構(gòu)成一個適合而不復(fù)雜的安全解決方案。因其運行真正的黑色通道，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不對其造成影響。
由于openSAFETY一直檢查輸出的數(shù)據(jù)的完整性，通過特殊機制不斷監(jiān)視傳輸用的時間，它可以辨別任何傳輸錯誤，甚至在單通道上，非安全傳輸網(wǎng)絡(luò)都可以應(yīng)用openSFETY, 而本身的安全功能不受任何影響。
openSAFETY用于自動以方案的層級式模型
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用戶該如何做
用戶希望在已有數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上實施POWERLINK, 并確保安全協(xié)議完全免費。需要任何幫助，你都可以向EPSG請求支持。
已經(jīng)過TUV認(rèn)證的openSAFETY，使實施安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰δ銇碚f已經(jīng)可是唾手可得。
?SIL3 TUV認(rèn)證的協(xié)議
?成熟的技術(shù)——無需重設(shè)計或重認(rèn)證
?對應(yīng)所有現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的開源方案——對于安全層來說無需任何專用設(shè)備
?最短的上市時間
?安全的長期投資可行性——法律、技術(shù)上的獨立性
?經(jīng)過高端應(yīng)用驗證、測試和證實的。（比如在過程自動化中的安全運動控制）
?互通性和方便的認(rèn)證
?TUV認(rèn)證測試通過
?IEC61784-3-13
openSAFETY為所有工業(yè)行業(yè)提供一個通用的安全方案。
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