现场总线连接及相关标准

20世纪80年代中期产生的现场总线，主要特征是以全数字、双向传输、多分支结构的通信控制总线连接智能现场设备，使发展分散化、网络化和智能化工业控制系统成为可能，从而使工业控制系统的体系结构和功能结构产生重大变革。现场总线的特点如下：

1）开放性：现场总线为开放式互联网络，其技术和标准都是公开的，所有制造商都必须遵循。这样用户可以自由集成不同制造商的设备，能与不同的控制系统形成互连。

2）布线简单：现场总线的最大革命是布线方式的革命，现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，因此最小化的布线方式和最大化的网络拓扑使得系统的接线成本和维护成本大大降低。

3）实时性：现场总线的实时性是为了满足现场控制和现场数据采集的要求。在确保数据传输可靠性和稳定性的前提下，现场总线应具备较高的传输速率和传输效率。

4）可靠性：由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，现场设备内部功能加强，设备之间连线减少，这都减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。而且，现场总线一般都具有一定的抗干扰能力，同时具备一定的诊断能力，以最大限度的保护整个系统，并快速的查找、更换故障节点。

社会在不断进步，技术在不断更新。工业自动化系统开始向分布式、智能化的实时控制方面发展，用户要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，这些都要求控制网络使用开放的、透明的通信协议，但是以前的系统往往无法满足这些要求，近年国际工业控制领域的共同趋势是使用基于IEEE802.3和TCP/IP的网络技术，形成新型的基于以太网的网络控制技术，即“工业以太网”。

所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（IEEE802.3标准）兼容，又针对工业应用采取了改进措施使其更加适用于工业场合。在产品设计时，材质的选用、适用性、实时性、可靠性、互操作性和抗干扰性等方面都能满足工业现场的需要。其特点如下：

1）实现高速、大数据量的实时、稳定传输：以太网能实现大数据量数据的交互，而快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决工业以太网的非确定性问题带来了新的契机，以太网的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负载的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞几率大大下降。其次，交换机迅速发展，可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负载。再次，全双工通信也避免了冲突的发生。因此，工业以太网通信的实时性和稳定性大大提高。

2）Web功能的集成：Web功能的集成使用户可以通过以太网技术访问设备，如HTTP、HTML等。这样，只要借助互联网的标准技术就可访问工业以太网设备，获得设备相关信息或者对有些信息进行配置修改。

3）集成原有现场总线系统：工业以太网的出现，给原有的现场总线带来了一定的冲击，为了保护用户原有投资，工业以太网必须能无缝集成原有现场总线系统，这一般都是通过网关实现。以工业以太网Ethernet/IP为例，如图4-213所示，网关把原有的DeviceNet网络接入Ethernet/IP网络。网关在Ethernet/IP网络中作为一个从站（Adapter），而在DeviceNet网络中则作为DeviceNet主站管理所有DeviceNet从站。

图4-213 Ethernet/IP与DeviceNet系统图

同样，其他工业以太网也可以通过相应的转换装置连接现场总线网络。

4）时钟同步：IEEE 1588（网络测控系统精确时钟同步协议）最初由Agilent Laboratories（安捷伦实验室）的John Eidson以及来自其他公司和组织的12名成员开发的，后来得到IEEE的赞助，并于2002年11月得到IEEE批准。

IEEE 1588的基本功能是使分布式网络内的最精确时钟与其他时钟保持同步，它定义了一种精确时间协议PTP（Precision Time Protocol），用于对标准以太网或其他采用多播技术的分布式总线系统中的传感器、执行器以及其他终端设备中的时钟进行亚微秒级同步。目前，许多工业以太网都能实现符合IEEE 1588的时钟同步功能。

4.15.2.1 现场总线标准

现场总线技术需要实现不同制造商、不同种类产品的互联，因此现场总线技术的标准化工作显得极为重要。

目前，市场上正在供应的现场总线很多，国际标准主要归类在两个标准族：一个为IEC/SC65C的IEC 61158（测量和控制数字数据通信——工业控制系统用现场总线）标准；另一个为IEC 17B的IEC 62026（低电压开关和控制器——控制器件接口）标准。

IEC 61158标准主要内容和IEC 61158标准包含现场总线类型分别见表4-39和表4-40。

表中的类型1是原IEC 61158第1版技术规范的内容，类型6的Swift-Net因推广不理想而被撤销。类型14的EPA（Ethernet for Plant Automation）是我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准。而IEC 61784（与工业控制系统中使用的现场总线有关的用于连续和离散制造的行规集）描述了IEC 61158中规定的“服务”集。

表4-39 IEC 61158标准主要内容

表4-40 IEC 61158标准包含现场总线类型

IEC 62026标准集见表4-41。

表4-41 IEC 62026标准集

目前，许多现场总线标准已转化为国家标准，主要有以下几种。

1）推荐性国家标准，见表4-42。

表4-42 推荐性国家标准

2）指导性国家标准，见表4-43。

表4-43 指导性国家标准

3）行业标准，见表4-44。

表4-44 行业标准

4.15.2.2 典型现场总线

1.Modbus

（1）特征和适用范围 Modbus协议是可应用于电子控制器上的一种通用的通信协议。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以通信。Modbus协议最初由Modicon公司开发，在1979年末该公司成为施耐德自动化（SchneiderAutomation）部门的一部分。从1979年开始，Modbus作为工业串行链路的事实标准，Modbus使成千上万的自动化设备能够通信，现在Modbus已经是工业领域全球非常流行的协议，已经成为一通用工业标准。许多工业设备，包括PLC、DCS、智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通信标准，有了它不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

Modbus协议主要特征包括：

1）数据通信采用主从方式；

2）协议没有指定物理层，可以使用不同的物理接口，推荐为RS-485接口；

3）协议包括两种传输模式（ASCⅡ、RTU），并规定了报文、数据的结构、命令和应答的方式；

4）Modbus协议规定了对数据的校验方法，串行协议中除有奇偶校验外，ASCⅡ模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验。

（2）通信协议简介 Modbus协议包括了三层协议：OSI模型第七层上的应用协议，OSI模型第二层上的串行链路协议，在物理层，Modbus系统可以使用不同的物理接口。

1）Modbus物理层：Modbus系统可以使用不同的物理接口，包括RS-485、RS-232。最常用的物理接口是TIA/EIA-485（RS-485）两线制接口。当只需要短距离的点到点通信时，也可以使用TIA/EIA-232-E（RS-232）串行接口作为Modbus系统的物理接口。

在使用典型的RS-485两线制接口的Modbus系统中，在一条由3根导线组成的干线电缆上连接所有设备。其中两条导线形成一对平衡双绞线，在整个双绞线上双向传送数据，在这个2线总线上，在任何时候只有一个驱动器有权发送信号，第3条导线可以将总线上所有设备相互连接成公共端，可以将公共端直接连接到保护地上。

Modbus多点串行链路系统由主电缆（干线）和一些可能的分支电缆组成。在干线电缆的两端需要线路终端以使阻抗匹配。在任何没有中继的RS-485Modbus中，允许最多有32台设备。数据信号传输的典型速率为9600bit/s和19200bit/s，另外可以有选择地实现其他波特率：1200bit/s、2400bit/s、4800bit/s…38400bit/s、56Kbit/s…。在波特率为9600bit/s、AWG26（或更粗）的电缆说，其最大长度为1000m，分支必须短，不能超过20m。

2）Modbus数据链路层：Modbus串行链路协议是一个主-从协议。只能有一个主站，一个或多个从站连接到一个串行链路。Modbus通信总是由主站发起。当没有收到来自主站的请求时，从站不能发送报文。即从站不能发起通信，因此从站之间不能相互通信。主站同时只能启动一个Modbus事务处理。

Modbus定义了两种串行传输模式：RTU模式和ASCⅡ模式。只有每个设备设置为相同的模式才能进行Modbus设备之间的相互操作，所有设备必须实现RTU模式，ASCⅡ传输模式是一个选项。

RTU传输模式时，报文每个8位字节包含有两个4位十六进制字符（ASCⅡ方式只表示一个字符）。这种模式的主要优点是在相同的波特率下其较高的字符密度具有比ASCⅡ模式更高的吞吐率。

RTU模式中每个字节（11位）的格式为：①1个起始位；②8个数据位，最低的有效位先发送；③1个奇偶校验位，无校验则无；④1个停止位（有校验时），2个停止位（无校验时）。

在RTU模式中，长度至少为3.5个字符时间的空闲间隔将报文帧区分开。如果一个新报文在小于3.5个字符时间内接着前个报文开始，接收的设备将认为它是前一报文的延续。这将导致一个错误，因为在最后的CRC字段的值不可能是正确的。传输的报文帧第一个字段是设备地址，第二个字段为功能码，第三个字段为数据，第四个字段为差错校验字段，RTU模式中该字段是基于16位循环冗余校验（CRC）方法对全部报文内容执行的，发送时CRC校验的低字节在前，高字节在后。整个报文帧必须作为一连续的流传输。如果两个字符之间的空闲间隔大于1.5个字符时间，那么认为报文帧不完整，并且接收设备应该丢弃整个报文帧。一个典型的RTU报文帧结构见表4-45。

表4-45 报文帧结构

当使用ASCⅡ（美国信息交换标准代码）模式设置设备在Modbus串行链路上通信时，用两个ASCⅡ字符发送报文中的一个8位字节。

ASCⅡ模式中每个字节（10位）的格式为：①1个起始位；②7个数据位表示1个ASCⅡ字符，最低的有效位先发送；③1个奇偶校验位，无校验则无；④1个停止位（有校验时），2个停止位（无校验时）。

使用ASCⅡ模式，报文以冒号（：）字符（ASCⅡ码3AH）开始，以回车-换行符结束（ASCⅡ码0DH，0AH）。对于所有的字段来说，允许传输的字符是十六进制的0…9，A…F。报文帧的第一个字段是设备地址，包括两个字符，第二个字段为功能码，第三个字段为数据，第四个字段为差错校验字段，ASCⅡ模式中该字段是基于对全部报文内容执行的纵向冗余校验（LRC）计算结果，不包括起始“冒号”和结束CRLF对。整个报文中字符间发送的时间间隔最长不能超过1s，否则接收的设备将认为传输错误。一个典型的ASCⅡ报文帧见表4-46。

表4-46 典型的ASCⅡ报文帧

（3）Modbus应用协议 Modbus协议定义的报文帧包括四个字段：地址字段、功能码字段、数据字段、差错校验字段。地址字段指定了报文帧发送给哪个从站，功能码向从站指示将执行哪种操作，数据字段为传送的具体数据，差错校验字段用于检测报文帧。

Modbus地址字段为一个字节，空间由256个不同地址组成，0为广播地址，1～247为从站单个地址，248～255保留。

Modbus功能码字段为一个字节，一共能够可以分为三类：公共功能码、用户定义的功能码（65～72，100～110）、保留功能码。常用的功能码主要有三种：03（读多个寄存器）、06（写单个寄存器）、16（写多个寄存器），这三种功能码都采用16位访问，发送时高字节在前，低字节在后。

数据字段为主站与从站需要交换的数据。如果在一个正确接收的Modbus报文帧中，不出现与所请求的Modbus功能有关的差错，那么从站到主站的相应数据字段包括所请求的数据。如果出现与所请求的Modbus功能有关的差错，那么数据字段包括一个异常码，从站应用能够使用这个字段确定下一个执行的操作。

差错校验字段由2个字节组成，根据Modbus两种不同的串行传输模式RTU模式和ASCⅡ模式，可以为CRC校验字段或者LRC校验字段。

（4）设备描述 Modbus没有设备描述，所以当一个从站设备连接到一个Modbus网络时，主站不能确定此设备的类型。

2.DeviceNet

（1）特征和适用范围 DeviceNet是由美国Rockwell公司在CAN基础上推出的一种低成本的通信总线，是一种低端网络系统。它将基本工业设备（如限位开关、光电传感器、阀组、电动机起动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器、物料流量计、电子秤、显示器和操作员接口等）连接到网络，从而避免了昂贵和繁琐的硬接线。DeviceNet是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能。图4-214是一个典型的DeviceNet控制系统示意图。

DeviceNet是一个开放性的协议，它在美国和亚洲扮演了非常重要的角色，在欧洲越来越多的系统方案使用Devi-ceNet。现在世界范围内，有超过300多家著名自动化设备厂商的会员（如罗克韦尔自动化、ABB、欧姆龙）。其应用范围包括汽车、半导体芯片制造、电子产品制造、食品和饮料、批量生成、化学处理、装配、包装和物料转移等。

DeviceNet自2002年成为中国国家标准后，已在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山等各个行业得到成功的应用。国内ODVA会员也纷纷推出具有自主知识产权的产品。

DeviceNet的主要技术特点见表4-47。

（2）通信协议简介

1）DeviceNet与CIP、CAN的关系：CIP协议是通用工业协议的简称，是面向对象的工业网络控制协议。根据OSI/ISO七层协议模型，DeviceNet协议定义了七层模型中的一部分，即物理层、数据链路层和应用层。而CIP协议是七层模型中的最上层-应用层。具体CIP协议架构如图4-215所示。在图中我们清楚地看到CIP协议是DeviceNet的应用层，同时是ControlNet、EtherNet/IP、CompoNet的应用层，因此，DeviceNet和ControlNet、EtherNet/IP、CompoNet共用同一个应用层协议CIP，但它们都有各自的数据链路层和物理层，如图4-216所示。

CAN是一种基于广播方式的协议，各种在网上传播的数据帧都在它的标识符字段被分配一个标识符，根据这个标识符每一个网络节点可以确定它是否应当接收这个帧。

CAN节点的发送可以被网络上所有其他节点监听和应答，只要总线处于发送空闲状态，任何节点都可以发送。当一个节点发送时，其他节点必须要等这个节点发送完成后才能开始发送信号。

图4-214 DeviceNet控制系统系统示意图

表4-47 DeviceNet主要技术特点

图4-215 CIP协议架构

如果有两个或多个节点同时开始发送，将通过非破坏性的逐位仲裁算法解决，最高优先级的节点将赢得发送权完成这一帧传送，优先级较低的节点则立即自动退出发送。

DeviceNet协议的数据链路层利用的是CAN协议，这样使得DeviceNet协议更具有可靠性和抗干扰性。CAN总线技术能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作。CAN总线具有以下优势：

a）是广播式的串口通信方式，用11位CAN标识符标识数据报代替了站地址编码，通过CAN芯片的掩码（Mask/Matsh）过滤器滤去无关的报文，实现高速响应。

b）采用了非破坏性仲裁技术，有效地避免了总线冲突，实现访问的优先级。

图4-216 应用层和数据链路层

CAN的无损位仲裁算法，在解决总线冲突方面是相当出色的。在随机访问方式中，常用的CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突监测）技术，在处理冲突时，发生冲突的节点一旦监测到冲突，就全部立即停止发送，没有有效报文继续发送，而无损位仲裁算法可以使优先权较高的节点继续发送有效报文，提高了总线利用率，而这是非常重要的。这是由CAN特定的硬件提供特性，首先每一帧的起始对各节点是相同的，当两个或多个节点同时向总线传送信号时，如果“显性”电平（表示信号“0”）和“隐性”电平（表示信号“1”）同时在总线上传送，总线电平表现为“显性”电平，11位标识符按照从最高位到最低位的顺序发送，因此具有最低值的标识符具有最高的仲裁优先权，用户可以分配较高的标识符给实时性要求高的报文，提高其仲裁优先权，保证实时性。CAN的11位无损仲裁字段，如图4-217所示。

图4-217 CAN的11位无损仲裁字段

c）采用短帧结构，数据传输时间短、响应快、重新发送的时间短。

d）每帧数据都有校验，保证数据传输的可靠性和抗干扰能力。

e）在节点错误严重的情况下，可以进入离线状态，不影响其他节点。

DeviceNet继承了CAN总线技术的所有优点，因此Devi-ceNet总线具有高可靠性、短帧传输等CAN总线具有的优点。

2）DeviceNet对象模型：DeviceNet采用对象模型来描述设备，如图4-218所示。将设备的功能分解成逻辑相关的子集-对象。一个设备被描述成对象的集合，而每个对象的行为都有确切的定义。在对象的集合中，有DeviceNet的必需对象和可选对象。

图4-218 DeviceNet对象模型

对象类的格式。对象是按照类划分的，特性不同的对象属于不同的类，特性相同的对象属于相同的类。属于同一类的一个对象成为该类的一个实例。实例是用来区分同一类中的各个对象的。对象中的数据项称为属性，同类对象具有相同的属性，但属性值可能相同，也可能不同。服务是对象执行的具体任务，或者说是对像支持的功能。服务是通过显式报文传送的。

3）DeviceNet设备描述：设备描述定义了设备的通信特性，目的是为了提高设备间的互操作性和互换性，提高系统集成的能力。通过采用设备描述，使各供货商或各网络的设备行为能够一致。设备描述主要从以下几个方面描述了设备类型：

a）设备包含的必需对象和可选对象的组合，以及相互之间的关系；

b）规定了设备类型的I/O数据格式；

c）设备的配置数据；(www.xing528.com)

d）DeviceNet通信模式。

DeviceNet采用高效灵活的数据交换机制，称为生产者/消费者模式。DeviceNet率先引入这种通信模式，在工业控制领域至今没有被超过。采用了这种生产者/消费者模式，大大地减少了网络的负载，提供了更多功能，增加了信息流量。在该模式中，有生产者和消费者。生产者是发送数据的节点，生产者向网络上发送数据包，数据包带有数据内容的“唯一的”标识符。消费者是在网络上接收数据的节点。消费者根据数据包的标识符判断是否需要接收该数据包，因此可以多个消费者同时使用一个数据包，从而实现多点传输。

生产者/消费者模式与源/目的模式。源/目的模式中，所有数据都有唯一的源和目的，是一种点对点的传输，由于数据到达各节点的时间不同，节点同步很难实现，不能实现多点传输，浪费了带宽。而生产者/消费者模式，多各节点可以同时消费来自同一生产者的相同数据，可以实现节点同步，同时更有效的利用了带宽，更高的确定性和可重复性。

DeviceNet是一个基于连接的网络，但也同时支持利用无连接的报文进行建立连接。一个DeviceNet连接提供了多个应用之间的路径，每建立一个连接，就分配一个连接ID，如图4-219所示。

图4-219 连接与连接ID

连接是为应用对象同其他节点通信保留必要的资源，提高传输报文的处理。连接是有限的资源，会被用完或耗尽。基于连接的报文可以用来传输I/O数据和显式报文，支持高效的生产者/消费者传输机制，支持多点传输，一次向多个目的节点进行高效的数据传输。任何类型的连接都提供连接定时机制，当连接定时器超时，连接关闭，释放连接资源。DeviceNet协议利用CAN的LLC数据帧中的11位标识符作为连接标识符CID。DeviceNet将CAN的11位标识符分为四组，见表4-48。

表4-48 DeviceNet对CAN11位标识符的分组

4）显式报文用于点对点、客户-服务器类传输：服务器端与信息路由器对象绑定，通过信息路由器可以访问所有内部资源，获取或修改某些属性值。客户端与客户应用对象绑定，客户端向服务器发送请求。显式报文主要用于设备配置、诊断和数据采集。

隐式报文，即周期性的I/O报文，主要用于传送应用特定的I/O数据，如组合对象就是一个应用对象，该应用对象将设备中多个不同的对象的数据采集、组合成一个结构数据。在隐式报文中没有协议信息，全部是应用数据，意味着更高效的信息传送。隐式连接使用唯一的连接标识符，称作连接ID，来标识数据包。数据的格式是通过设备描述文件和EDS文件事前定义好的。隐式报文支持传输触发基于时间周期（周期触发）或数值变化（状态改变）。连接的定时机制来监视连接的状态，当连接超时，及时向连接关系端的应用报告这一情况。隐式报文都是基于连接的，没有无连接的隐式报文。隐式报文主要用于采集实时I/O数据、功能性安全数据和运动控制数据等。

5）设备配置：DeviceNet提供了多种设备配置方式，有传统的打印数据文档、EDS文档、参数对象和组合对象等方式，也可以通过硬件的方式进行配置。其中电子数据文档（EDS）是DeviceNet非常强大的配置机制。

制造商提供的文本形式的文件，供组态工具识别设备。EDS文件是用ASCⅡ码编写的，描述了设备中可以通过网络访问的所有信息，主要内容包括I/O数据的结构和含义、I/O的传输类型、配置参数等信息。EDS的结构包括文件描述、设备描述、I/O特性、参数类、参数等。

3.CANopen

（1）特征和适用范围 1993年由Bosch领导的欧洲CAN-bus协会开始研究基于CAN-bus通信系统管理方面的原型，由此发展成为CANopen协议。这是一个基于CAN的子协议，用于产品部件的内部网络控制。其后CANopen协议被移交给CiA协会，由CiA协会管理维护与发展。至2000年CANopen协议已成为全欧洲最重要的嵌入式网络标准之一。CANopen协议是免授权的，任何组织和个人都可以开发支持CANopen协议的设备而不用支付版税。CANopen主要特征见表4-49。

表4-49 CANopen的主要特征

由于价格低廉、实现简单，CANopen被广泛应用于汽车电子控制系统、运动控制系统、轨道交通、医疗仪器、纺织机械、船舶运输、楼宇自动化等。

（2）通信协议简介 CANopen的通信结构参考ISO/OSI模型，数据链路层和物理层是基于CAN芯片和协议，遵守ISO 11898标准；应用层采用CANopen设备协议和通信协议。

CANopen欧洲标准有许多个行规，在表4-50中列出最基本的行规。

表4-50 CANopen通信行规

CANopen标准最核心的部分是通过对象字典（Object Dictionary）对设备功能进行描述。对象字典索引定义见表4-51。对象字典分为两部分，第一部分包括基本的设备信息，例如设备ID、制造商、通信参数等。第二部分描述了特殊的设备功能。对象字典是一个有序的对象组，每个对象采用一个16位的索引值来寻址。为了允许访问数据结构中的单个元素，同时定义了一个8位的子索引。

表4-51 对象字典索引定义

CANopen设备的功能及特性以电子数据单（EDS）的形式描述，EDS采用ASCⅡ格式，可以将EDS理解成某种形式的表格。

CANopen网络的基本内容如下。

1）管理报文：CANopen网络管理基于主从通信模式，要求在网络中有一个节点作为网络管理（NMT）的管理者（主站），其他节点都是从节点（从站）接受管理。

2）服务数据对象SDO（Service Data Object）：服务数据对象主要实现客户端与服务器的点对点通信，CANopen网络的配置即是通过SDO实现的，也可用于实现一些非周期数据的传输。

3）过程数据对象PDO（Process Data Object）：过程数据对象用来传输实时数据，支持生产者/消费者模式。生产者用专用的标识符（COB-ID）发送一个发送PDO，该标识符与一个或多个消费者那里的接收PDO相对应。一个PDO最大为8个字节，每个PDO在对象字典中用两个对象描述：

PDO通信参数：包含哪个COB-ID将被PDO使用、传输类型、禁止时间和定时器周期等。

PDO映射参数：包含一个对象字典中对象的列表，这些对象映射到PDO里，包括它们的数据长度，生产者和消费者必须知道这个映射，以解释PDO的内容。

PDO有两种传输方式：①同步：由同步报文（SYNC）触发传输。非周期：由远程帧预触发传送，或者由设备子协议中规定的对象特定事件预触发传送。周期：传送在每1到240个SYNC消息后触发。②异步：从站报文数据改变后即发送，不管主站是否询问，而且可以定义同一个报文两次发送之间的时间间隔，避免高优先级报文一直占据总线（PDO的数值越低优先级越高）。

4）预定义主从连接集：为了减小简单网络的组态工作量，CANopen定义了强制性的默认标识符（CAN-ID）分配表。这些标志符在预操作状态下可用，通过动态分配还可修改它们。CANopen设备必须向它所支持的通信对象的提供相应的标识符。

默认ID分配表是基于11位CAN-ID，包含一个4位的功能码部分和一个7位的节点ID（Node-ID）部分。Node-ID由系统集成商定义，例如通过设备上的拨码开关设置，Node-ID范围是1～127（0不允许被使用）。

预定义的主从连接集定义了4个接收PDO、4个发送PDO、1个SDO、1个紧急对象和1个节点错误控制ID。也支持不需确认的网络管理服务、同步和时间标签对象的广播。

4.Profibus总线

（1）总线特征和适用范围 Profibus由Siemens公司提出并极力倡导，现已成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统，欧洲市场占有率大于40%。1996年6月Profibus被采纳为欧洲标准EN50170第二卷。PNO为其用户组织。Profibus是一种比较成熟的总线，广泛应用于加工制造自动化、过程控制自动化、楼宇自动化、发电与输配电等领域。

Profibus以ISO7498为基础，以开放式系统互联网络OSI作为参考模型，定义了物理传输特性、总线存取协议和应用功能。Profibus包括Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS。Profibus-DP（Decentralized Periphery）是一种高速和便宜的通信连接，用于自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信。Profibus-FMS（FieldBus Message Specification）用来解决车间级通用性通信任务，与LLI（LowerLayerInter-face）构成应用层。Profibus-PA（Process Automation）专为过程自动化而设计的，它可使传感器和执行器接在一根共用的总线上。当使用耦合器，Profibus-PA装置能很方便地连接到Profibus-DP网络。目前，就低压电器领域而言，一般只采用Profibus-DP总线，主要技术特征如下。

1）传输技术：①依据RS485，采用异步NRZ传输方式；②网络拓扑为总线型、树形和星形，两端有终端电阻；③采用屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件；或者采用光纤；④每分段32个站（不带中继器），带中继器可多到126个站，每段的头和尾必须带有终端电阻；传输速率为9.6Kbit/s～12Mbit/s，电缆最大长度取决于传输速率，见表4-52。

表4-52 传输速率与长度对照

2）设备类型：一类DP主站一般是中央可编程序控制器，如PLC、PC等；二类DP主站是可进行编程、组态、诊断的设备。DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的RTU、驱动器、阀门等设备。

3）总线存取：支持单主站或多主站系统。多主系统中主站间采用令牌传递，主站与从站间为主-从轮询方式。

4）通信：点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送。

5）功能：DP主站和DP从站间进行周期性数据传输和非周期性数据传输；具有强大的诊断功能，主站能向从站发送参数数据，每个DP从站的输入和输出数据最大为244字节，控制指令允许输入和输出同步。

6）可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离（表示信息传输过程中差错保护机制）HD=4进行，DP从站带看门狗定时器（Watchdog Timer），可对DP从站的输入/输出进行存取保护，可用主站中可调节的监视定时器来监视用户数据通信。

（2）通信协议简介 Profibus协议结构，如图4-220所示。协议的结构是以开放式系统互联网络（OSI）作为参考模型的。Profibus-DP使用了OSI参考模型的第一层、第二层和用户接口，第三层到第七层未定义。这种结构确保了数据传输快速和有效地进行。

Profibus-DP用于总线主站与其所属的从站设备之间进行简单、快速、循环和时间确定性的过程数据的交换。最初的版本为DP-V0，现已扩展到DP-V1、DP-V2。DP-V0提供了DP的基本功能，包括循环的数据交换，以及站诊断、模块诊断和特定通道诊断；DP-V1包含依据过程自动化的需求而增加的功能，特别是用于参数赋值、操作、智能现场设备的可视化和报警处理等的非循环数据通信。DP-V2包括主要根据驱动技术的需求而增加的其他功能，如同步从站模式和从站对从站通信等。

图4-220 Profibus-DP协议结构

为了将不同厂家生产的Profibus产品集成在一起，生产厂家必须以GSD文件（电子设备数据库文件）方式表示这些产品的功能参数（如I/O点数、诊断信息、波特率等）。标准的GSD数据将通信扩大到操作员控制级。根据GSD文件，组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。GSD文件是一个可读的ASCⅡ文件，可使用Profibus用户组织提供的编辑工具GSDEdit进行编辑，GSD文件是由若干行组成，每行都用一个关键字开头，包括关键字及参数（无符号数或字符串）两部分。

5.Modbus/TCP

（1）特征和适用范围 工业以太网Modbus/TCP是由施耐德公司为首的Modbus-IDA组织推出，它基于标准的TCP/IP协议，定义了一个结构简单的、开放和广泛应用的传输协议，用于主从式通信。

主要技术特征如下：

1）拓扑形式：开放局域网络，符合IEEE802.3；

2）传输方式：CSMA/CD；

3）传送速度：100M/10Mbit/s；

4）传送介质：IEEE802.3，100Base TX，100Base FX；

5）网络长度：从集线器至节点100BaseTX可达100m，100BaseFX可达3000m；

6）应用层：Modbus协议，TCP端口号为502。

（2）通信协议简介 Modbus/TCP基于标准的以太网，只是在应用层封装了Modbus协议，如图4-221所示。

Modbus/TCP在以太网上使用一种专用报文头识别Mod-bus应用数据单元，这种报文头称为MBAP报文头（Modbus协议报文头）。

MBAP报文头共有7个字节，报头的字段见表4-53。

图4-221 Modbus/TCP架构图

表4-53 MBAP报头的字段

1）事务处理标识符：用于事务处理配对。在响应中，Modbus服务器复制请求的事务处理标识符。

2）协议标识符：用于系统内的多路复用。通过值0识别Modbus协议。

3）长度：长度域是下一个域的字节数，包括单元标识符和数据域。

4）单元标识符：当系统内需要路由时，使用这个域。专门用于通过以太网网络和Modbus串行链路之间的网关对Modbus从站的通信。Modbus客户机在请求中设置这个域，在响应中服务器必须利用相同的值返回这个域。

Modbus/TCP的功能码和数据格式完全参照Modbus的协议，此处不再赘述。

6.EtherNet/IP

（1）特征和适用范围 相对于其他类型工业以太网而言，EtherNet/IP使用标准TCP/IP以太网，EtherNet/IP的性能会随着以太网其他技术（如信息安全技术、高速传输技术、高速交换技术等）的不断发展而水涨船高。而有些工业以太网技术，在具体实现时，或者在实时性能要求高的应用场合必须有专用的ASIC芯片支持，或者对标准ISO七层模型的数据链路层进行改造后使其满足通信需要。这些解决方案虽然可以满足不同应用场合的需要，但是协议兼容性和开放性较EtherNet/IP稍差一些。

主要技术特征如下：

1）拓扑形式：开放局域网络，符合IEEE802.3；

2）传输方式：CSMA/CD；

3）传送速度：100M/10Mbit/s；

4）传送介质：IEEE802.3，100Base TX，100Base FX；

5）网络长度：从集线器至节点100BaseTX可达100m，100BaseFX可达3000m；

6）应用层：CIP，TCP端口号O_xaf12，UDP端口号O_x08ae。

（2）CIP介绍 EtherNet/IP在商业以太网中引入了CIP（Common Industrial Protocol，通用工业协议）。CIP是专为工业控制设计的应用层协议，提供了访问数据和控制设备操作的对象集合。在发送CIP数据包以前必须对其进行封装。

CIP是经实践证明的、实时性能很好的应用层协议，它为DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP网络提供公共的应用层和设备描述。CIP建立在单一的、与介质无关的平台上，为从工业现场到企业管理层提供无缝通信，使用户可以整合跨越不同网络的有关安全、控制、同步、运动、报文和组态等方面的信息。它有助于使工程化和现场安装的开销最小化，使用户获得最大的投资收益。

CIP采用基于非连接的用户数据报文协议/网际协议（UDP/IP）和基于连接的传输控制协议/网际协议（TCP/IP）作为以太网上控制和信息的传输协议，允许发送显式和隐式报文（CIP与TCP/IP层次关系见图4-222）。其中，隐式报文是对时间有苛刻要求的控制信息，通过UDP/IP完成；显式报文是对时间无苛刻要求的点对点信息，可由TCP/IP完成。显式报文用于配置、下载和故障诊断；隐式报文用于实时I/O数据的传输。CIP是一个基于对象的网络设备的解决方案。作为设备间进行自动化数据传输的通信协议，CIP把每一个网络设备看作一系列对象的集合。每个对象也只是一组设备相关数据的集合，称为属性。它通过设备描述对网络中的设备进行完整的定义。CIP向终端用户提供了自动化系统必不可少的控制、组态、数据采集服务功能。为面向自动化领域提供了以太网上的工业自动化设备的互操作性和互换性。

图4-222 CIP与TCP/IP层次关系

（3）CIP对象模型 所有EtherNet/IP设备都必须实现的核心对象：Message Router（报文路由对象）、Unconnected Message Manager（无连接报文管理对象）、Identity Object（标识对象）和Connection Manager（连接管理对象）；可以选择实现的对象：Assembly Object（组合对象）。

1）Message Router根据要访问的类和属性进行对目的对象的路由。

2）Unconnected Message Manager提供跨网络的报文服务并可以进行报文复制检测和重试服务。

3）Identity Object包含了当产品接入网络时与网络相关的所有服务。

4）Connection Manager负责管理网络上连接的打开和关闭，为1类和3类连接提供传输目标。

5）Assembly Object用于实现网络上结点数据的传送和接收。

CIP规约定义了三种类型的对象：必须对象、应用对象、厂商定义对象。

1）必须对象是指每个CIP设备都必须包含的对象，如Identity（标识对象）、Message Router（报文路由对象）和Network（网络对象）等。Identity对象包含一些设备的属性，如厂商标志符、出厂日期、设备序列号等数据。Mes-sage Router对象用于对设备中对象间的显示请求报文进行路由。Network对象包含了对象的物理连接有关的一些数据。比如在DeviceNet网络上，CIP设备的网络对象包含了MacID（硬件地址）等与DeviceNet网络有关的接口信息数据；对于EIP设备而言网络对象则包含了IP地址等描述设备与以太网的接口信息数据。

2）应用对象定义了设备封装的数据。这类对象对应于不同的设备。比如，驱动系统中的电动机对象包含了描述频率、额定电流和电动机尺寸等属性数据；I/O设备的模拟量输入对象包含了模拟输入的类型和电流值等属性数据。

3）厂商定义对象是指那些在规约中没有指明的而是由厂商自己构造的特殊对象，在访问这类对象时可以使用与访问必须对象和应用对象相同的方法。

为了推广EtherNet/IP作为工业自动化应用层协议的使用，国际上有四个独立的组织一直在努力工作，即ODVA（Open DeviceNet Vendor Association）、CI（ControlNet Interna-tional）、IAONA（Industrial Automation Open Network Alli-ance）和IEA（Idustrial Ethernet Association）。这些组织进行EtherNet/IP的技术开发和管理工作。

（4）EtherNet/IP通信协议简介 EtherNet/IP技术是CIP技术与以太网技术的巧妙结合，它基于标准的TCP/IP，只是在TCP报文的数据部分嵌入了CIP封装协议（见图4-223），封装协议的主要任务是定义和规范了如何封装和传输上层协议报文，以及如何管理和利用下层TCP/IP连接，起到承上启下的作用，功能上与OSI七层模型中的数据链路层非常类似。实现工业以太网的方式有很多，Ethernet/IP选择基于完全标准的TCP/IP以太网，而不是部分基于以太网或基于修改过的以太网，不对TCP/IP栈作任何改动，与其他基于标准TCP/IP以太网的IT标准完全兼容。EtherNet/IP规范中使用0x08ae作为UDP端口号；使用0xaf12作为TCP端口号，并通过国际组织的审议，所有Eth-erNet/IP产品都应该通过这两个端口进行网络数据的传输。

标准TCP/IP以太网技术的完全开放，意味着EtherNet/IP产品供应商可以自由、自主地选择全球范围内任何符合工业等级要求的TCP/IP以太网控制芯片进行开发和生产。在商业以太网的硬件和软件基础上运行适用于工业自动化设备的应用层协议，使得如商业以太网的交换机等设备就可以直接用在工业控制系统中（当然需要满足实际系统的控制和环境等条件要求）。这样以来，在EtherNet/IP产品的开发和制造中，中国自动控制厂商和全球范围内其他厂商站在了同一条起跑线上。

图4-223 基于标准TCP/IP的EtherNet/IP数据封装格式