开源实时以太网POWERLINK详解

本书从现有工业以太网技术的比较开始，概要介绍了几种主流的实时以太网，详细介绍了POWERLINK实时以太网技术。首先介绍了POWERLINK的技术原理、特点、具有哪些功能以及应用层CANopen的概念等，进而介绍了如何实现和使用POWERLINK，包括如何组建和配置POWRELINK网络，如何诊断网络错误等。最后介绍了POWERLINK的典型应用，包括运动控制和过程控制。

肖维荣，德国卡塞尔大学电气工程系工学博士，山东大学控制科学与工程学院兼职教授/博士生导师，上海交通大学安泰管理学院EMBA。研究领域：现场总线与控制技术，电机的设计与计算，用数值场分析方法设计电磁能量转换系统，磁浮轴承的设计与应用，电机与驱动系统的动态仿真，PLC，IPC，变频器、伺服系统等工业自动化技术，模糊逻辑以及非线性调节技术，在国际国内各学术期刊发表35篇以上论文，并且是《可编程计算机控制器》、《装备自动化工程设计与实践》两本图书的主要作者。自1996年起担任贝加莱（中国）总经理以来，积极推动前沿控制技术在大学的实践，共为中国本土大学资助26个合作实验室，并且推动实时以太网POWERLINK技术的开源以及在中国的应用推广。

前言
第1章总线概述1
1.1现场总线2
1.1.1现场总线技术的发展2
1.1.2现场总线产生的需求2
1.2以太网技术3
1.3实时以太网技术5
1.3.1实时以太网与现场总线的比较5
1.3.2主要实时以太网技术的比较5
1.3.3不同工业应用对于网络的需求6
1.3.4选择实时以太网的标准7
1.4现有实时以太网的标准7
1.4.1几种典型总线的原理8
1.4.2POWERLINK和EtherCAT的比较11
第2章POWERLINK的原理17
2.1IEC国际标准POWERLINK18
2.2OSI模型18
2.3POWERLINK的物理层19
2.4POWERLINK的数据链路层20
2.4.1POWERLINK概述20
2.4.2POWERLINK管理节点20
2.4.3POWERLINK受控节点21
2.4.4POWERLINK服务21
2.4.5POWERLINK周期21
2.4.6POWERLINK短周期28
2.5POWERLINK的同步机制30
2.6POWERLINK数据帧的结构34
2.6.1SoC数据帧结构34
2.6.2Preq数据帧结构34
2.6.3Pres数据帧结构35
2.6.4SoA数据帧结构37
2.6.5ASnd数据帧结构38
2.7DLL状态机38
2.7.1从站DLL状态机38
2.7.2MN周期状态机42
2.8主站网络管理（NMT）状态机48
2.8.1通用初始化NMT状态机49
2.8.2主站MNNMT状态机51
2.8.3从站CNNMT状态机56
2.9CANopen简介63
第3章POWERLINK的功能和特点65
3.1应用案例66
3.2一“网”到底66
3.2.1多路复用66
3.2.2大数据量通信67
3.2.3故障诊断67
3.2.4网络配置67
3.2.5实现方案68
3.2.6开发难度68
3.3性能参数68
3.4网络拓扑69
3.4.1网络拓扑概述69
3.4.2节点的寻址70
3.5热插拔70
3.6冗余70
3.6.1双网冗余70
3.6.2环形冗余74
3.6.3多主冗余81
3.6.4冗余系统的典型拓扑结构90
3.7交叉通信90
3.8实时域与非实时域91
3.9基于POWERLINK的功能安全92
3.9.1适用于所有现场总线92
3.9.2openSAFETY原理93
第4章POWERLINK的实现方案96
4.1C语言实现方案97
4.1.1硬件平台97
4.1.2软件平台97
4.1.3物理层98
4.1.4软件介绍98
4.1.5软件架构98
4.1.6软件模块98
4.1.7基于Windows的方案102
4.1.8基于Linux的方案102
4.1.9基于VxWorks的方案103
4.1.10基于FPGA的方案103
4.1.11运行openPOWERLINK104
4.2HDL语言实现方案112
4.2.1方案优势112
4.2.2方案架构112
4.2.3FPGA资源115
4.2.4支持的平台115
4.2.5与上位机的接口115
4.2.6异步并行总线116
4.2.7POWERLINKIP的寄存器介绍116
4.2.8VerilogHDL最小应用层118
第5章POWERLINK应用层130
5.1CANopen应用层131
5.2对象字典131
5.3XDD文件136
5.3.1设备描述138
5.3.2网络通信描述139
5.4异步通信模型143
5.4.1SDO读143
5.4.2SDO写144
5.4.3SDO命令接收方的处理过程146
5.5同步通信模型147
5.5.1从站发送的通信参数配置（0x18XX）148
5.5.2从站发送的映射参数配置（0x1A00）149
5.5.3从站接收的通信参数配置（0x14XX）150
5.5.4从站接收的映射参数配置（0x1600）150
5.5.5主站发送参数的配置过程152
5.6应用编程接口153
5.7自定义应用层153
5.7.1对象字典153
5.7.2自定义异步协议153
5.7.3自定义同步协议154
第6章POWERLINK的网络组态155
6.1openCONFIGURATOR简介156
6.2openCONFIGURATOR的使用159
6.2.1创建新的openCONFIGURATOR工程159
6.2.2openCONFIGURATOR配置Preq-Pres模式通信167
6.2.3openCONFIGURATOR配置PRC模式通信170
6.2.4openCONFIGURATOR配置交叉通信171
6.3Mnobd文件解析175
第7章POWERLINK通信诊断178
7.1诊断工具简介179
7.2Wireshark使用方法179
7.2.1下载及安装179
7.2.2网络连接179
7.2.3运行Wireshark179
7.2.4Wireshark数据分析181
7.2.5对各个从节点状态的诊断182
7.2.6Wireshark过滤功能185
7.2.7配置过程中对错误的诊断186
7.3Omnipeek简介187
7.3.1Omnipeek安装188
7.3.2EthernetAnalyzer安装188
7.3.3PC网卡的配置188
7.3.4X20_ET8819的设置189
7.3.5启动Omnipeek190
7.3.6对X20_ET8819的配置190
7.3.7关闭防火墙190
7.3.8线缆连接191
7.3.9开始分析192
7.3.10X20_ET8819的高级设置192
7.4错误处理机制193
7.4.1POWERLINK可能出现的错误193
7.4.2各种错误对应的对象字典中的对象194
7.4.3源码中经常出现的错误195
第8章POWERLINK的应用197
8.1基于POWERLINK的伺服驱动器设计198
8.1.1硬件平台198
8.1.2软件设计198
8.1.3DS402198
8.1.4伺服中关于通信的设计199
8.1.5一拖多伺服的设计200
8.1.6伺服设计实例200
8.2基于POWERLINK的DCS系统设计207
8.2.1大数据量传输207
8.2.2多主站冗余208
8.2.3监控功能208
8.2.4通信功能208
8.2.5强制切换209
8.2.6环网冗余和线缆冗余209
8.2.7热插拔209
8.2.8无扰下装210
8.2.9可扩展背板总线211
8.2.10网络组态工具212
8.2.11POWERLINK各种冗余的拓扑结构212

Preface  前 言工业实时以太网技术属于工业现场总线的范畴。工业现场总线在工业应用中占有重要地位，也是“兵家必争之地”，如西门子、AB等国际知名的公司都拥有自己的总线技术。POWERLINK是开放源码的实时以太网技术，它最早开始于2001年，是最早、最成熟、使用最广泛的实时以太网协议之一，后来成了IEC国际标准及中国的国家标准。它是目前唯一一个技术开放、代码开源的工业实时以太网技术，与其他总线相比，具有实现容易、可以掌握核心技术、拥有源代码和自主知识产权等特点，因此被国内很多大公司采用，如和利时、南瑞、南车、格力及一些军工单位。POWERLINK的优点是无需专用的硬件，在普通的以太网硬件平台上就能实现，而软件又全部开放了源码，可免费从网上下载。对于中小企业，POWERLINK的优势是实现方便、价格便宜，能为企业节省一笔可观的授权费，而且实现POWERLINK的硬件成本也很低廉。 本书以现有工业以太网技术的比较为出发点，概要介绍了几种主流的实时以太网技术，详细介绍了POWERLINK实时以太网技术，内容包括POWERLINK的技术原理、特点、功能，以及应用层CANopen的概念等。进而介绍了如何实现和使用POWERLINK，包括如何组建和配置POWERLINK网络，如何诊断网络错误等。最后介绍了POWERLINK的典型应用，包括运动控制和过程控制。本书从POWERLINK的技术原理开始，逐一介绍了组网、运行、诊断以及行业的应用，从理论到实践逐步深入。通过阅读本书，读者定能熟练掌握POWERLINK技术。 出版本书就是为了更好地推广POWERLINK，让更多人了解、学习、掌握、使用POWERLINK。