openSAFETY基础引导（二）

        1. PROFINET上的openSAFETY
        PROFINET技术的发展主要来自于西门子和其他PROFIBUS用户组织PNO的成员。它的名字是“process field network”的缩写。PROFINET是Profibus DP的以太网类的继承者。其通信系统有I/O控制器之间的完整的数据传输说明，以及参数化、诊断和网络实施的说明。根据时间要求不同，PROFINET又被分为PROFINET RT和PROFINETIRT，前者没有或是软实时，后者硬实时。
        •原理
        PROFINET使用不同协议和服务来满足不同性能级别要求。根据用户需求和一定原则，实时型PROFINET RT可以在一个循环周期内发送有效载荷数据和对时间要求不高的数据。又预留一个RT通道，通过以太网协议传输高优先级的载荷数据。而诊断和配置信息通过UDP/IP发送。因此，对于I/O的应用，循环周期可以达到10ms。应用基于交换管理的时分复用，PROFINET RT时钟同步的1ms以下的循环周期，满足运动控制的要求。PROFINET IRT采用一种特殊帧格式——PROFINET实时报文，使信号端需要一种特定的ASIC才能工作。
        •用户组织
        PROFIBUS & PROFINET International (PI)代表PROFINET。它是一个伞式组织，与PROFIBUS用户组织PNO和24个区域性PROFIBUS组织协力发展。
        •openSAFETY
        openSAFETY因其黑色通道原理与数据传输机制分离，使得PROFINET同其他协议一样，对openSAFETY的实施毫无影响。

        2. SERCOS III上的openSAFETY
        作为一个开源、独立于生产商的数字驱动接口标准，SERCOS III不仅定义了物理连接的硬件结构和协议结构，也支持广泛的配置文件定义。Sercos接口最初在1985年引入到市场，到今天第三代的SERCOS III，标准以太网是数据传输的协议，主要用于运动控制为主的自动化系统。
        •原理
        SERCOS III需要主站和从站端都有专用硬件才能工作。该专有硬件将CPU从通信任务中解放出来，确保快速实时数据处理和硬件为基础的同步。SERCOS用户组织提供SERCOS III IP core支持用FPGA的SERCOS III硬件开发。
        SERCOS III使用帧求和的方法，要求网络节点使用菊花链或闭环的方式连接。数据在每经过一个设备的时候就被处理，不同通信类型对应不同报文类型。由于以太网连接的全双工特点，菊花链已经满足一个单环，而一个适当的拓扑会生产一个双环，可以满足冗余数据的传输。每个节点有两个通信接口（用于菊花链和环形网），使其具有交叉通信的功能。实时报文会来回经过线路中每个节点，即，他们在每个循环周期里被处理两次。所以，设备可以在一个循环周期中完成彼此通信，无需先经过主站。
        实时通道使用有预留带宽的时间槽来确保没有冲突的数据传输。除此之外SERCOS III还提供一个可选的非实时通道。节点在硬件层面同步，它直接从通信周期开始的第一个实时报文中取得同步信息。主站同步报文（MST）为此被嵌入到第一个报文中。为保证同步便宜地域100ns，一个基于硬件的过程负责补偿因以太网硬件导致的系统差异。各种网络可以使用不同的循环时钟，依然达到完全同步。

SERCOS III上实现openSAFETY的层级式模型

        •用户组织
        SERCOS International e.V.是一个支持该技术持续发展并坚守该标准的注册协会。超过50家控制系统生产者和30家以上伺服制造商是其成员。
        •openSAFETY
        利用“黑色通道原理”，openSAFETY在现有SERCOS III方案原封不动的基础上就可以实施。
SERCOS III有交叉通信的功能。openSAFETY利用该功能进行周期性安全数据交换。SSDO在非实时通道（NRT）传输。通过SERCOS III功能配置（FSP），可以确保理想的停泊。（ideal docking）

安全SERCOS III网络的一个典型环形拓扑

        EtherNet/IP在2000年发布，是由Allen-Bradley (Rockwell Automation)和OVDA (Open DeviceNet Vendors Association) 开发的、开源的工业标准。“以太网工业协议”（EIP）本质上是CIP（Common Industrial Protocol）应用协议的一个端口，被用在ControlNet和DeviceNet上。在美国市场上尤其成功，经常用于罗克韦尔的控制系统中。
        原理
        EtherNet/IP运行于标准以太网硬件之上，使用TCP/IP和UDP/IP为数据传输。因CIP协议支持的“生产者/消费者”功能，EtherNet/IP可选用各种各样的通信机制，比如轮询，定时或事件触发，多重广播或点对点连接。
        针对的配置和数据请求，CIP应用协议会区分“隐式”的I/O信息和“显式”的查询/应答报文。显式信息被嵌入到TCP帧中，实时应用信息通过UDP发送，因其更紧凑的格式和较小的帧头。以太网帧里的VLAN标识是用来给予实时数据以优先级的。交换机作为星形网络的中心，防止通过点对点连接的设备之间的数据冲突。EtherNet/IP一般能达到10ms的循环周期这样的软实时性能。增强的扩展协议CIPSync和CIPMonitor目前尚不可用。IEEE1588中规定通过分布时钟实现的节点精确同步能达到满足伺服电机控制所要求的足够小的循环周期和抖动。[page]

        openSAFETY应用于EtherNet/IP的层级式模型。
        用户组织
        Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) and ControlNet International这两个组织联合负责CIP技术的维护和发展。
        openSAFETY
        openSAFETY的黑色通道原理可以让其轻松实施于EtherNet/IP之上。通过EtherNet/IP，openSAFTY可以通过它自己的组件建立连接。安全通信便在此之上进行。在这种方案里，安全设备自己既做“生产者”也做“消费者”，因此可以监听网络中的安全数据。

典型的安全EtherNet/IP网络的星形拓扑

        4. Modbus-TCP上的openSAFETY
        早在1979年美国PLC生产商Gould Modicon（现为施耐德电气的一个部门）就开发Modbus协议。它被认为是最早现场总线协议之一，可以实现不同厂家的系统和设备之间的通信。后来Modbus差不多成为工业标准。它是一个纯应用层协议，即它不依赖于传输介质。
        Modbus-TCP由施耐德自动化设计和发起，采用与之前总线相同的服务和模型，即Modbus ASCII, MODBUS RTU（异步数据通过RS232或RS485的传输）和Modbus Plus （令牌传递）。只是新版使用的数据传输协议是以太网，使用TCP/IP包传递数据。
        原理
        Modbus-TCP不像标准以太网那样在数据链路层使用CSMA/CD方式来控制节点对网络的接入，而是通过应用层的客户端/服务器原理来处理访问的控制。也就是说网络上每个节点都被分配一个独一无二的地址，且只有当主站通过明文提示通知节点发送数据，节点才能发送。
参数和数据在发送前被封装，并被嵌入到TCP报文的有效载荷数据容器中。同时“Modbus Application Header”(MBAP)也被放到载荷数据中，以确保服务器在接受到信息时能够正确解析Modbus参数和指令。每个TCP/IP报文中只能嵌入一个Modbus应用报文。
        和任何使用TCP的协议（TCP——传输控制协议）一样，Modbus-TCP也是基于连接的。在实际数据传输之前，主站和从站之间必须建立一个可靠的连接，以确保数据能够被完整的、顺序正确地接受。连接一旦建立，客户端和服务器可以传输任意多的载荷数据。对于周期性输入输出数据传输，连接是常在的。对于服务数据来说，只在实际使用时候才建立。服务器和客户端的节点可以同时建立和维持多个TCP/IP连接。
 

在Modbus-TCP上实现openSAFETY的层级式模型

        用户组织
        总部在美国的Modbus组织(Modbus-IDA)负责为其用户和Modbus-TCP设备生产商的发展服务。
        openSAFETY
        Modbus-TCP并不例外，在黑色通道原理下，数据传输机制和安全层完全分离，互不影响。加入了以太网的Modbus不局限于TCP/IP通信，也会使用UDP/IP。openSAFETY利用这一点，非周期性安全数据通过TCP/IP帧传播，周期性数据，根据openSAFETY保障机制在复制之后，通过UPD/IP传输。

安全Modbus-TCP网络

        5. POWERLINK上的openSAFETY
        POWERLINK是2001年由贝加莱(B&R)开发的实施工业台网协议。其特点包括微妙级的循环周及，普遍可用性，和网络配置的高度灵活性。而且它是一个完全无需授权、独立于供应商的、基于软件的实时系统，并且从2008年开始完全开源。同时POWERLINK无需专用硬件，可以让用户从版权和供应商中独立出来。POWERLINK给予用户完整的CANopen机制，同时又100%符合IEEE802.3 以太网标准。也因此，POWERLINK可以实现一切标准以太网的特性，包括交叉通信，热插拔，灵活的网络拓扑。
        原理
        POWERLINK使用时间槽和轮询方式来达到同步的输出传输。为了确保协同，使用一个PLC或工控机来作为管理几点（MN）。它负责管理同步所有设备的循环周期，控制周期性数据通信。其他设备都以受控节点（CN）的方式工作。在一个时钟周期里，MN以固定顺序一个一个地发送“轮询查询”到各个CN。每个CN立即发出“轮询响应”，其他所有节点也都可以听到这个响应。
        一个POWERLINK周期由3个阶段组成：在开始阶段，MN发送一个“周期帧开始”（SoC）给所有CN以时期同步。抖动，即周期波动导致的时钟率的偏差能达到100纳秒左右。周期性同步数据的交换在第二阶段机型（周期阶段）。在这个极端，复用技术可以使带宽获得优化。第三阶段是异步数据阶段，可以用来传输体积较大、对时间不敏感的数据。用户数据之类被分到几个周期内的异步数据传输阶段传输。POWERLINK区分实时和非实时域。由于异步阶段的数据传输支持标准IP帧，路由器可以将数据从实时域中安全而透明地分离出来。[page]

openSAFEY应用于POWERLINK的层级式结构

        用户组织
        有着民主章程的独立组织，Ethernet POWERLINK Standardization Group（EPSG）在2003年由自动化行业领导者创立，将POWERLINK技术的标准化和不断发展、增强作为基本目标。EPSG与领先的标准化组织，比如CAN in Automation(CIA)和Open Source Automation Development Lab (OSADL)合作。
        openSAFETY
        openSAFETY可以简便的在POWERLINK上实施，对底层通信协议没有影响。POWERLINK提供程序的交叉通信机制，并籍此达到极短的安全反应时间。所用用于初始化和对系统参数化都走在POWERLINK的异步通信通道中。

一个安全POWERLINK网络；一般来说，所有拓扑结构都是可行的。

        6. 你的现场总线上的openSAFETY
        除了市场上那些人们熟悉的、广泛应用的现场总线和工业以太网系统，或甚至一些不为人们熟知的特殊的协议，还有一些不少自动化应用一直采用的定制的供“内部”使用的总线系统。在许多类型工业中都有这种情况，一个统一的实施方法既没有被标准化，也没经过认证。这时，openSAFETY便构成一个适合而不复杂的安全解决方案。因其运行真正的黑色通道，数据传输协议不对其造成影响。
        由于openSAFETY一直检查输出的数据的完整性，通过特殊机制不断监视传输用的时间，它可以辨别任何传输错误，甚至在单通道上，非安全传输网络都可以应用openSFETY, 而本身的安全功能不受任何影响。

openSAFETY用于自动以方案的层级式模型

用户该如何做

        用户希望在已有数据通信系统基础上实施POWERLINK, 并确保安全协议完全免费。需要任何帮助，你都可以向EPSG请求支持。
已经过TUV认证的openSAFETY，使实施安全数据传输的能力对你来说已经可是唾手可得。
        •SIL3 TUV认证的协议
        •成熟的技术——无需重设计或重认证
        •对应所有现场总线和工业以太网的开源方案——对于安全层来说无需任何专用设备
        •最短的上市时间
        •安全的长期投资可行性——法律、技术上的独立性
        •经过高端应用验证、测试和证实的。（比如在过程自动化中的安全运动控制）
        •互通性和方便的认证
        •TUV认证测试通过
        •IEC61784-3-13

openSAFETY为所有工业行业提供一个通用的安全方案。