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IDA 

IDA （the Interface for Distributed Automation， 分布式自动化接口） 是一种完全建立在以太网基础上的工业以太网规范， 它将一种实时的基于Web 的分布自动化环境与集中的安全体系结构加以结合， 目标是创立一个基于TCP/ IP 的分散自动化的解决方案。作为一个单纯的工业以太网协议， IDA 涵盖自动化结构中的所有层次， 包括设备层。它曾致力于开发一个供机器人、运动控制和包装用的目标/ 功能块库。这些应用与PLC 的控制的显著差别在于它们要求微秒级的同步（PLC 的控制只要求毫秒级的确定性）。IDA 通过因特网协议在以太网总线上用RTI （Real Time Innovations） 公司的中间件NDDS （网络数据传送服务） 来实现微秒级的实时性。NDDS 采用发布方/预订方模型。

Modbus TCP/IP 将与FTP 或HTTP 一样在其公共的操作系统中作为一个标准， Modbus 占用已注册的502个端口中的一个。因为Modbus TCP/ IP是完全透明的，所以很好地符合IDA。IDA 协议建立在组件的基础上， 该组件包括了IEC 61449 的第一部分体系结构功能块标准，但用IDA 的体系结构替代了IEC 61499 的模型。除了支持以太网TCP、UDP 和IP有关的Web 服务的完整套件外， IDA 协议规范还包括：基于RTI 公司的中间件NDDS 的RTPS （实时发布方/ 预订方）， Modbus TCP/ IP 作为工业以太网消息传输协议， IDA 通信目标库， 实时和安全API。IDA 的协议栈如图1所示。

图1　IDA 的协议栈

注：BootP—Bootstrap Protocol， （因特网） 自引导协议；

DHCP—Dynamic Host Configuration Protocol， TCP/ IP）动态主机配置协议

Ethernet / IP

1998 年年初， ControlNet 国际化组织（CI） 开发了由ControlNet 和DeviceNet 共享的、开放的和广泛接收的基于Ethernet 的应用层规范。利用该技术， 2000 年年底， CI、工业以太网协会（IEA） 和ODVA 组织提出了Ethernet/IP 的概念， 以后SIG （Special Interest Groups）进行了规范工作。Ethernet/IP 技术采用标准的以太网芯片， 并采用有源星形拓扑结构， 将一组装置点对点地连接至交换机， 而在应用层则采用已在工业界广泛应用的开放协议———控制和信息协议（CIP）。

Ethernet/IP的一个数据包Zui多可达1500B，数据传输率达10/100 Mbit/s，因而能实现大量数据的高速传输。基于Ethernet TCP 或UDP_IP 的Ethernet/IP 是工业自动化数据通信的一个扩展，这里的IP 为Industrial Protocol 的缩写。Ethernet/IP 的规范是公开的， 并由ODVA组织提供。另外， 除了办公环境上使用的HTTP、FTP、IMTP、SNMP 的服务程序， Ethernet/IP 还具有生产者/ 客户服务，允许有时间要求的信息在控制器与现场I/O模块之间进行数据传送。非周期性的信息数据的可靠传输（如程序下载、组态文件） 采用TCP 技术， 而有时间要求和同期性控制数据的传输由UDP 的堆栈来处理。Ethernet/ IP 实时扩展在TCP/ IP 之上附加CIP， 在应用层进行实时数据交换和实时运行应用， 其通信协议模型如图2 所示。

图2　Ethernet/ IP 通信协议模型

实际上， CIP 除了作为Ethernet/ IP 的应用层协议外， 所有的Ethernet/ IP 的CIP 已运用在ControlNet 和DeviceNet 上，可以作为ControlNet 和DeviceNet 的应用层， 3 种网络共享相同的对象库、对象和用户设备行规， 使多个供应商的装置能在上述3 种网络中实现即插即用。

Ethernet/ IP 的成功是在TCP、UDP 和IP 上附加了CIP， 提供了一个公共的应用层， 其目的是为了提高设备间的互操作性。CIP 一方面提供实时I/ O 通信；另一方面实现信息的对等传输。其控制部分用来实现实时I/ O 通信， 信息部分用来实现非实时的信息交换，并且采用控制协议来实现实时I/ O 报文传输或者内部报文传输， 采用信息协议来实现信息报文交换和外部报文交换。CIP 采用面向对象的设计方法， 为操作控制设备和访问控制设备中的数据提供服务集， 运用对象来描述控制设备中的通信信息、服务、节点的外部特征和行为等。

为了减少Ethernet/ IP 在各种现场设备之间传输的复杂性， Ethernet/ IP 预先制定了一些设备的标准规定， 如气动设备等不同类型的规定。目前， CIP 进行了以太网标准实时性和安全总线的实施工作， 采用IEEE 1588 标准的分散式控制器同步机制的CIPSync， 基于Ethernet/ IP 技术， 并结合安全机制实现CIP Safety 的安全控制等。

EtherCAT

EtherCAT 是由德国的Beckhoff 公司开发的， 并且在2003 年年底成立了ETG 工作组（Ethernet Technology Group）。EtherCAT 是一个可用于现场级的超高速I/O 网络，它使用标准的以太网物理层和常规的以太网卡， 传输介质可为双绞线或光纤。

一般常规的工业以太网都是采用先接收通信帧， 进行分析后作为数据送入网络中各个模块的通信方式， 而EtherCAT 的以太网协议帧中已经包含了网络中各个模块的数据。EtherCAT 协议标准帧结构如图1所示。

图1　EtherCAT 协议标准帧结构

数据的传输采用移位同步的方法进行， 即在网络的模块中得到其相应地址数据的同时，数据帧可以传送到下一个设备， 相当于数据帧通过一个模块时输出相应的数据后， 马上转入下一个模块。由于这种数据帧的传送从一个设备到另一个设备延迟时间仅为微秒级， 所以与其他以太网解决方法相比， 性能比得到了提高。在网络段的Zui后一个模块中结束了整个数据传输的工作， 形成了一个逻辑和物理环形结构。所有传输数据与以太网的协议相兼容， 同时采用双工传输， 提高了传输的效率。

EtherCAT 的通信协议模型如图2所示。EtherCAT 通过协议内部可区别传输数据的优先权， 组态数据或参数的传输是在一个确定的时间中通过一个专用的服务通道进行的， EtherCAT 系统的以太网功能与传输的IP 协议兼容。

图2　EtherCAT 通信协议模型

EtherCAT 技术已经完成， 专门的ASIC 芯片也在实现之中。目前市场上已提供了从站控制器， EtherCAT 的规范也成为了IEC/ PAS 文件（IEC/ PAS 62407—2005）。

Ethernet Powerlink

Ethernet Powerlink 是由奥地利的B&R 公司开发的， 2002 年4 月公布了Ethernet Powerlink标准， 其主攻方面是同步驱动和特殊设备的驱动要求。Powerlink 通信协议模型如图3所示。

图3　Powerlink 通信协议模型

Ethernet Powerlink 协议对第3 层和第4 层的TCP（UDP） / IP 栈进行了实时扩展， 增加的基于TCP/ IP 的Async 中间件用于异步数据传输， ISOchron （等时） 中间件用于快速、周期的数据传输。Powerlink 栈控制着网络上的数据流量。Ethernet Powerlink 避免网络上数据冲突的方法是采用时间片网络通信管理机制（Slot Communication Network Management， SCNM）。

SCNM 能够做到无冲突的数据传输， 专用的时间片用于调度等时同步传输的实时数据；共享的时间片用于异步的数据传输。在网络上， 只能指定一个站为管理站， 它为所有网络上的其他站建立一个配置表和分配的时间片， 只有管理站能接收和发送数据， 其他站只有在管理站授权下才能发送数据。因此， Powerlink 需要采用基于IEEE 1588 的时间同步。