现场总线CANopen与工业以太网总线知识概述

1、1报告人：商承超22021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCATu定义定义 现场总线（现场总线（FieldBus）是应用在生产现场、在智能化测）是应用在生产现场、在智能化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通讯的系统，量控制设备之间实现双向串行多节点数字通讯的系统，也被成为开放式、数字化、多点通讯的底层控制网络。也被成为开放式、数字化、多点通讯的底层控制网络。 传统总线控制系统现场总线控制系统32021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT现场总线类型4u 现场总线协议：现场总线协议：ControlNet、Profibus、Interb

2、us、DeviceNet、CANopen、CC-Link、ASi、IO-Linku Profinet、Ethernet/IP、EtherCAT、Modbus/TCP、SERCOS2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网EtherCAT工业通讯协议关系布局工业通讯协议关系布局5uCANopen协议是一种基于协议是一种基于CAN总线总线的应用层协议。的应用层协议。uCANopen协议在欧洲广泛应用，协议在欧洲广泛应用， 已已成为欧洲标准成为欧洲标准EN50325-42021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT62021-12-13现场总线CANopen与

3、工业以太网总线EtherCAT7现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT两者之间的关系8 （1）介质访问控制及物理信号使用）介质访问控制及物理信号使用CAN总线总线技术；技术；（2）通信速率可以有多种选择；）通信速率可以有多种选择；（3）采用对象字典作为通信接口与应用程序）采用对象字典作为通信接口与应用程序的接口；的接口；（4）支持主）支持主/从、生产者从、生产者/消费者和客户机消费者和客户机/服服务器等多种通信模式；务器等多种通信模式；（5）制定了多种设备子协议；）制定了多种设备子协议；2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT9（6）可使用多种

4、线缆和连接器；）可使用多种线缆和连接器；（7）数据通信可采用事件驱动、远程请求、）数据通信可采用事件驱动、远程请求、同步传输等多种方式；同步传输等多种方式；（8）采用心跳报文、节点保护、寿命保护等）采用心跳报文、节点保护、寿命保护等多种设备监控方式，有利于节点之间的可靠通多种设备监控方式，有利于节点之间的可靠通信；信；（9）提供典型的预定义主）提供典型的预定义主/从连接组，最多可从连接组，最多可支持支持127个节点；个节点；（10）提供很大的灵活性，应用非常广泛。）提供很大的灵活性，应用非常广泛。 2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT102021-12-1

5、3现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT11u对象字典是一个有序的对象组对象字典是一个有序的对象组u每个对象采用一个每个对象采用一个16位的索引来寻址位的索引来寻址u定义了一个定义了一个8位的子索引来方为数据结构中的单个元素位的子索引来方为数据结构中的单个元素2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT122021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT132021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT142021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT通讯对象表通讯对

6、象表152021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT162021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCATuCANopen通讯模型定义了通讯模型定义了4种报文（通讯对象）：种报文（通讯对象）： 网络管理报文（网络管理报文（NMT） 服务数据对象服务数据对象SDO(Service Data Object） 过程数据对象过程数据对象PDO（ProcessData Object） 预定义报文或者特殊功能对象预定义报文或者特殊功能对象17u基于主从式的结构基于主从式的结构u一个一个CANopen网络中只有一个网络中只有一个NMT主节点主节点u作用作

7、用 节点状态控制节点状态控制初始化状态初始化状态预操作状态预操作状态操作状态操作状态停止状态停止状态 错误控制错误控制Node GuardingHeartbeart 节点启动节点启动(boot-up)2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网EtherCAT18u只有只有NMT-Master节点能够传送节点能够传送NMTModule Control报文。所有从设备必须支持报文。所有从设备必须支持NMT模块控制服务。模块控制服务。NMTModule Control消息不需要应答。消息不需要应答。NMT消息格式消息格式2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网EtherCA

8、T192021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT202021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT21u通过节点保护服务，通过节点保护服务，MNT主节点可以检查每个节点的主节点可以检查每个节点的当前状态当前状态uNMT-Slave节点发送如下报文应答节点发送如下报文应答2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网EtherCAT22u一个节点可被配置为产生周期性的被称作心跳报文（一个节点可被配置为产生周期性的被称作心跳报文（Heartbeat）的报文）的报文2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网EtherCA

9、T23u NMT-slave节点发布节点发布Boot-up报文通知报文通知NMT-Master节点它已经从节点它已经从initialising状态进入状态进入pre-operational状态。状态。NMT-Master NMT-Slave 2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网EtherCAT24u用来传输实时数据，用来传输实时数据， 数据从一个生产者传到一个或多数据从一个生产者传到一个或多个消费者。数据传送限制在个消费者。数据传送限制在1到到8个字节个字节uPDO通讯没有协议规定。通讯没有协议规定。PDO数据内容只由它的数据内容只由它的CAN ID定义定义u每个每个PDO在

10、对象字典中用在对象字典中用2个对象描述个对象描述 PDO通讯参数：包含哪个通讯参数：包含哪个COB-ID将被将被PDO使用，传输类型使用，传输类型，禁止时间和定时器周期，禁止时间和定时器周期 PDO映射参数：包含一个对象字典中对象的列表，这些对象映射参数：包含一个对象字典中对象的列表，这些对象映射到映射到PDO里，包括它们的数据长度（里，包括它们的数据长度（in bits）。生产者和）。生产者和消费者必须知道这个映射，以解释消费者必须知道这个映射，以解释PDO内容内容uPDO消息的内容是预定义消息的内容是预定义,映射应用对象到映射应用对象到PDO中是在中是在设备对象字典中描述的。设备对象字典中

11、描述的。2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT252021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT262021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT272021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT282021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT292021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT302021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCATRPDOTPDO312021-12-13现场总线C

12、ANopen与工业以太网总线EtherCAT32u 通过使用索引和子索引（在通过使用索引和子索引（在CAN报文的前几个字节），报文的前几个字节），SDO使客使客户机能够访问设备（服务器）对象字典中的项（对象）户机能够访问设备（服务器）对象字典中的项（对象）u SDO允许传送任何长度的数据（当数据超过允许传送任何长度的数据（当数据超过4个字节时分拆成几个字节时分拆成几个报文）个报文）u 协议是确认服务类型：为每个消息生成一个应答（一个协议是确认服务类型：为每个消息生成一个应答（一个SDO需要需要两个两个ID）,SDO请求和应答报请求和应答报u 文总是包含文总是包含8个字节（没有意义的数据长度在第

13、一个字节中表示个字节（没有意义的数据长度在第一个字节中表示，第一个字节携带协议信息）。，第一个字节携带协议信息）。SDO通讯有较多的协议规定。通讯有较多的协议规定。2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT332021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT342021-12-13水现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT352021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT362021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCATu同步（同步（SYNC）u时间标记对象（时间标记

14、对象（TimeStamp）u紧急事件（紧急事件（Emergency）u节点节点/寿命保护（寿命保护（Node/Life guarding）372021-12-13现场总线CANopen与工业以太网EtherCAT38uSDO 客户读取报文当客户节点想从服务器读取数据时客户读取报文当客户节点想从服务器读取数据时，向服务器发送请求报文（，向服务器发送请求报文（clientserver），通信报），通信报文文2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网EtherCAT392021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCATCAN通讯接口、对象字典和应用程序之间的联系4

15、0u上面提到的通讯对象类型中有二个对象用于数据传输上面提到的通讯对象类型中有二个对象用于数据传输它们采用二种不同的数据传输机制实现：它们采用二种不同的数据传输机制实现：u SDO 用来在设备之间传输大的低优先级数据，典型的用来在设备之间传输大的低优先级数据，典型的是用来配置是用来配置CANopen网络上的设备。网络上的设备。u PDO 用来传输用来传输8字节或更少数据，没有其它协议预设字节或更少数据，没有其它协议预设定（意味着数据内容已预先定义）。定（意味着数据内容已预先定义）。u一个一个CANopen设备必须支持一定数量的网络管理服务设备必须支持一定数量的网络管理服务（管理报文，（管理报文，

16、administrative messages），需要至少一），需要至少一个个SDO。每个生产或消费过程数据的设备需要至少一。每个生产或消费过程数据的设备需要至少一个个PDO。所有其它的通讯对象是可选的。所有其它的通讯对象是可选的。2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT41u 1 PROFILE POSITION MODE(标准位置模式)u 2 HOMING MODE(回原点模式)u 3 INTERPOLATED POSITION MODE(插补位置模式)u 4 PROFILE VELOCITY MODE(标准速度模式)u 5 PROFILE TORQUE

17、MODE(标准转矩模式)u 6 VELOCITY MODE(速度模式)2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT42u Object 607Ah: Target position(Po350; Po351)u Object 607Bh: Position range limitu Object 607Dh: Software position limitu Object 607Fh: Max profile velocityu Object 6080h: Max motor speedu Object 6081h: Profile velocity(Po330)

18、 u Object 6082h: End velocityu Object 6083h: Profile acceleration(Po310)u Object 6084h: Profile deceleration(Po311)u Object 6085h: Quick stop decelerationu Object 6086h: Motion profile type(Po328)u Object 60C5h: Max accelerationu Object 60C6h: Max deceleration2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCATu O

19、bject 6062h: Position demand value(Po910; Po911)u Object 6064h: Position actual value(Po956; Po957)u Object 6065h: Following error windowu Object 6066h: Following error time outu Object 6067h: Position windowu Object 6068h : Position window timeu Object 60F4h: Following error actual value(Po912; Po9

20、13)43u Object 607Ch: Home offset(Po123;Po124)u Object 6098h: Homing method(Po555)u Object 6099h: Homing speeds 6099h.1hSpeed during search for switch(Po120) 6099h.2hSpeed during search for zero(Po121)u Object 609Ah: Homing acceleration(Po122)2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT44uObject 60C0h: Inte

21、rpolation sub modeuObject 60C1h: Interpolation data record(Po350)uObject 60C2h: Interpolation time period(Po340)uObject 60C3h: Interpolation sync definitionuObject 60C4h: Interpolation data configuration2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT45uObject 6069h: Velocity sensor actual value(Po914;Po915)uO

22、bject 606Ah: Sensor selection codeuObject 606Bh: Velocity demand value(Po914;Po915)uObject 606Ch: Velocity actual value(Po904;Po905)uObject 606Dh: Velocity windowuObject 606Eh: Velocity window timeuObject 606Fh: Velocity thresholduObject 6070h: Velocity threshold timeuObject 60FFh: Target velocity(P

23、o113;Po114)uObject 60F8h: Max slippageuObject 60F9h: Velocity control paruObject 6063h Position actual value2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCATu 6071h Target torque u 6072h Max torque u 607Eh Polarity u 607Fh Max profile velocity u 6080h Max motor speed u 6083h Profile acceleration (Po109)u 6084h

24、Profile deceleration (Po110)u 6085h Quick stop deceleration u 6086h Motion profile type (Po328)u 6094h Velocity encoder factor u 6095h Velocity factor 1 u 6096h Velocity factor 2 46u Object 6071h: Target torque(Po204) (FC09)u Object 6072h: Max torqueu Object 6073h: Max current (F822)u Object 6074h:

25、Torque demand valueu Object 6075h: Motor rated currentu Object 6076h: Motor rated torqueu Object 6077h: Torque actual value (0X1006)u Object 6078h: Current actual valueu Object 6079h: DC link circuit voltageu Object 6087h: Torque slope(Po212,Po213) (FC02)u Object 6088h: Torque profile typeu Object 6

26、0F7h: Power stage parametersu Object 60F6h: Torque control parameters2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT47uObject 6042h: vl target velocity(Po113) (0 x10D)uObject 6043h: vl velocity demand(Po914)(0X1000)uObject 6053h: vl percentage demand()uObject 6054h: vl actual percentageuObject 6055h: vl manip

27、ulated percentageuObject 604Eh: vl velocity referenceuObject 604Ch: vl dimension factoruObject 604Bh: vl set-point factoruObject 604Dh: vl pole numberuObject 6046h: vl velocity min max amount6046h .01h velocity min amount(Po126) (0X10C)6046h .02h velocity max amount(Po002) (0X10D)uObject 6047h: vl v

28、elocity min maxuObject 6058h: vl frequency motor min max amountuObject 6059h: vl frequency motor min maxuObject 6056h: vl velocity motor min max amountuObject 6057h: vl velocity motor min maxuObject 6048h: vl velocity acceleration(Po109) (0 x10E)uObject 6049h: vl velocity deceleration(Po110) (0 x10F

29、)uObject 604Ah: vl velocity quick stopuObject 604Fh: vl ramp function timeuObject 6050h: vl slow down timeuObject 6051h: vl quick stop timeuObject 6044h: vl control effort(Po904)uObject 6045h: vl manipulated velocityuObject 6052h: vl nominal percentage2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT48u工业以太网的特点

30、工业以太网的特点 通讯的实时性和确定性通讯的实时性和确定性 稳定性和可靠性稳定性和可靠性 工业以太网协议工业以太网协议2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT49u基于基于TCP/IP的实现的实现 Ethernet/IP 、 Profinet（1）、）、 Modbus/TCPu基于普通的以太网基于普通的以太网 Ethernet、 Powerlink 、 浙大中控的浙大中控的EPA 、Profinet(2)u基于修改的以太网基于修改的以太网 EtherCAT、 SERCOSIII 、Profinet(3)2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线

31、EtherCAT50u运行原理运行原理采用的是主从式（采用的是主从式（Master/Slave）通信方式）通信方式 主站发起主站发起EtherCAT 下行数据下行数据帧；数据帧遍历所有的从站；每个从站在数据帧经过时分析寻址到本站数据帧；数据帧遍历所有的从站；每个从站在数据帧经过时分析寻址到本站数据，并根据帧中的命令来提取数据或插入返回数据，然后更新数据帧中相应的，并根据帧中的命令来提取数据或插入返回数据，然后更新数据帧中相应的工作计数器（工作计数器（WKC）以标识出该数据帧被从站处理过）以标识出该数据帧被从站处理过 在从站中，数据帧的接收与解码、数据的提取与插入、数据帧的转发都是由在从站中，数

32、据帧的接收与解码、数据的提取与插入、数据帧的转发都是由硬件来实现的，这使得硬件来实现的，这使得 EtherCAT 数据帧经过每个从站的时间极小，延迟约数据帧经过每个从站的时间极小，延迟约为为100500ns2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT51uCANopen over EtherCAT(CoE)uServo Drive over EtherCAT(SoE)uEthernet over EtherCAT(EoE)uFile Access over EtherCAT(FoE)2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT5220

33、21-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT532021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT542021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT552021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT56u Ethercat主站通过读写邮箱数据主站通过读写邮箱数据SM通道实现非周期性数据通信。通道实现非周期性数据通信。当当CoE的通信服务类型为的通信服务类型为2和和3时为时为SDO通信服务通信服务2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT572021-12-1

34、3现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT58uEthercat通讯状态机分为：通讯状态机分为： Init（Initialization） Pre-Operational Safe-Operational Operational2021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT592021-12-13现场总线CANopen与工业以太网总线EtherCAT状态和状态转化操作初始化应用层没有通信，主站只能读写ESC寄存器初始化向预运行转化（INIT to Pre-Op）主站配置从站站点地址寄存器；如果支持邮箱通信，则配置邮箱通道参数；如果支持分布式时钟，则配置DC相关寄存器；主站写状态控制寄存器，以请求“Pre-Op”;预运行应用层邮箱数据通信Pre-Op to Safe-Op主站使用邮箱初始化过程数据映射；主站配置过程数据通信使用的SM通道；主站配置FMMU;主站写状态控制寄存器，以请求“Safe-Op”;安全运行应用层支持邮箱数据通信；有过程数据通信但是只允许读输入数据，不产生输出数据