openSAFETY基礎(chǔ)引導(dǎo)（二）

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)合負責(zé)CIP技術(shù)的維護和發(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)的星形拓撲

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)標準。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不像標準以太網(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。

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)標準。也因此，POWERLINK可以實現(xiàn)一切標準以太網(wǎng)的特性，包括交叉通信，熱插拔，靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲。
原理
POWERLINK使用時間槽和輪詢方式來達到同步的輸出傳輸。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)傳輸支持標準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。