1、GB ICS 25.040 N 10 中华人民共和国国家标准GB/T 31230.5-2014 工业以太网现场总线EtherCAT第5部分:应用层服务定义2015田04-01实施Industrial ethernet fieldbus EtherCAT一Part 5: Application Layer service definition 2014-09-30发布发布中华人民共和国同家质量监督检验检瘦总局中国国家标准化管理委员会也飞。ms伪by5到自盯摇过JVV川剧附命、su际网G/T 31230.5-2014 目次前言.v l 范围-1.1 本部分与IEC标准的关系-1. 2 概述1. 3
2、 规范l1. 4 一致性.2 2 规范性引用文件.2 3 术语、定义、符号、缩略语和约定23.1 参考模型术语和定义.2 3.2 服务约定术语和定义33.3 应用层和数据链路服务术语和定义43.4 通用符号和缩略语83.5 约定94 概念104.1 一般概念104.2 类型特定概念105 数据类型ASEM5.1 概述M5.2 数据类型对象的形式化定义165.3 FAL定义的数据类型 16 5.4 数据类型ASE服务规范256 通信模型规范.25 6.1 ASE 25 6.2 AR 94 参考文献.103 罔l生产者消费者模型.罔2客户机服务器模型罔3服务器触发调用. 阁4从站参考模型四罔5简单
3、的从站设备.罔6复杂的从站设备.罔7主站功能概述日闯8过程输出数据序列m罔9过程输入数据序列m二甲、.GB/T 31230.5一20144dtRURUGdqdnunu-171uqJ卢UFaponbnbqdA哇A飞JJEDbAUZATAU-4&A吐口3EDFUEDED-UJEDE3t3J勺QUQUQUQUODQd百7百7列序列列序列.列序载序序传序. 列序载下载传上传配列列序，时下。下上。上分序序d山|且mmmmm卜m甜甜功附孙附川阳模S个SS个S罗HHP务务剧引峨肤川失忙QLE州队引肿颁肘脚侦肺卜仲射服服服远副外肝肝肝刷刷且们帧服的功的的功的信服序川职知mmmm序读读写写写的功机E功成功功成杠
4、。急令击PPPPEEEEEE功成成不戚戚不成mJ紧命阳同hhLMUbhhhmhhm成不Mnu-9ndA吐Fhdnb巧OOQdnu-9年qJA哇FhUFOioOQnu-内LnJ4&-i唱I1i111i1i1i111ti-叮乙L。L?OL?。，?门LndndququqJ罔图图图图图图图图图罔罔罔图图图阁图图图图图罔图罔QOQdAUOOQdnuA哇nunv?qd9年?qJqJquA哇4nORUFORUa -nu+L a-end D tuuuudmm由au . 兴TFb，d4EL aamTHHHH刘mhmfDMLHHUHENX HDh巾ddXELF-aaLJAP川run-ooqdMtE um甲们U.
5、i面nhdhok白leu队叫矿wwmm-p44Etofooku mmMmMd区DD叫门白白-mRWWR)mxmmL伊HHHmmmm叮PAPALSSSSSS nu-117JA哇Edpb勺t口6od-iHH表表表表表表表表表表表G/T 31230.5-2014 表12SDO Upload Normal 63 表13Upload SDO Segment 65 表14Abort SDO Transfer 65 表15Get OD List . . 66 表16OD List Segment 67 表17Get Object Description . 68 表18Get Entry Descripti
6、on 69 表19Object Entry Segment 72 表20Emergency 73 表21RxPDO 73 表22TxPDO 74 表23RxPDO remote transmission 74 表24TxPDO remote transmission 75 表25Initiate EoE 79 表26EoE Fragment . . . . . . . . . . . . . . 80 表27Set IP Parameter 81 表28Set Address Filter 82 表29FoE Read 87 表30FoE Write 87 表31FoE Data 88 表32
7、FoE Ack 88 表33FoE Busy 89 表34FoE Error 89 表35MBX read 91 表36MBX Write 92 表37MBX Read Upd m 表38AL管理原语和ESM服务原语. 94 表39AL Control 101 表40AL state change 102 用山目U昌GB/T 31230(工业以太网现场总线EtherCAT分为以下6个部分:第1部分:概述一一第2部分:物理层服务和协议规范一第3部分:数据链路层服务定义一一第4部分:数据链路层协议规范一一一第5部分:应用层服务定义一一第6部分:应用层协议规范本部分为GB/T31230的第5部分。本
8、部分按照GB/T1.1-2009给出的规则起草。本部分由中国机械工业联合会提出。本部分由全国工业过程测量和控制标准化技术委员会(SAC/TC124)归口。GB/T 31230.5-2014 本部分起草单位:机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、北京仪综测业科技发展有限公司、西南大学、上海自动化仪表股份有限公司、中科院(沈阳)自动化研究所、清华大学、北京航空航天大学、北京交通大学、北京和利时系统工程有限公司、中科院计算所顺德分所、欧姆龙工业自动化公司、倍福北京分公司、ETG中国。本部分主要起草人:谢素芬、高镜媚、刘丹、刘枫、包伟华、杨志家、王雪、刘艳强、范瑜、罗安、陈冰冰、李天兵、关鹏、范斌、程庚
9、。V 1 范围工业以太网现场总线EtherCAT第5部分:应用层服务定义1.1 本部分与IEC标准的关系GB/T 31230的本部分依赖于IEC61158系列文件类型12中相对应的部分。1.2 概述GB/T 31230.5-2014 现场总线应用层CFAL)为用户程序提供一种访问现场总线通信环境的方法，以此观点，FAL可以看作相应应用程序间的窗口。针对EtherCAT现场总线的自动化环境和材料，本部分为应用程序之间基本的时间关键及非时间关键信息的交流提供公共要素。时间关键一词代表存在一个时窗，在此时窗内，要求完成一个或多个有明确定义的指定动作。在时窗内没有完成指定的动作，有可能造成需要该动作的
10、应用的失败，甚至会影响设备、厂房及人身安全。本部分以一种抽象的方式定义由不同类型的现场总线应用层提供的外部可视的服务，含以下方面:a) 用来定义用户能通过使用FAL服务来操作的应用资源(对象)的抽象模型;b) 服务原语的动作和事件:c) 原语动作和事件相关的参数以及它们采用的格式;d) 动作和事件之间的关系及其有效顺序。本部分的目的是为下列两项定义服务:1) 在用户与现场总线参考模型之间的边界处的FAL用户;2) 在应用层与现场总线参考模型的系统管理之间的边界处的系统管理。本部分指定了在IEC现场总线应用层的结构和服务，并与OSI基本参考模型CGB/T9387)及OSI应用层结构CGB/T17
11、176)相一致。包含在应用过程中的FAL应用实体(AE)提供FAL服务和协议。FALAE由一组面向对象的应用服务单元CASE)和一个管理AE的层管理实体CLME)组成。ASE提供操作一组应用过程对象CAPO)类的通信服务。在FALASE中有一个管理ASE，它能提供一组用于FAL类实例管理的通用服务。从应用的角度，尽管这些服务定义了请求和响应怎样被发布和传送，但它们都不包括关于请求和响应中的应用发布和传送内容的规范。也就是，应用的行为方面没有被定义。只对它们可以发送/接收什么样的请求和响应进行了明确定义。这使得FAL用户在标准化这种对象行为时更具灵活性。除了这些服务之外，在该部分中也定义了一些支
12、持服务，以提供对控制操作的某些方面的FAL的访问。1.3 规范本部分的主要目的是定义适合于时间关键通信的应用层概念性服务的特点，并以此补充OSI基本参考模型，来指导服务于时间关键的应用层协议的开发。其次的目的是为了从现有的工业通信协议中另辟路径。本部分可作为正式应用编程接口的根据。不过，它不是正式的编程接口，任何正式的接口都需要解GB/T 31230.5-2014 决本部分未涉及的实现问题，包括:a) 各种多八位位组服务参数的大小和八位位组的排序;b) 成对的请求和证实，或指示和响应原语之间的相关性。1. 4 一致性本部分不指定个别的实现或产品，也不具体约束E业自动化系统中的应用层实体的实现。
13、本部分虽然没有与设备的一致性，然而，通过执行相应的满足本部分中任意给定类型的应用层服务定义的应用层协议口I以实现一致性。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注H期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T 1988 .1998 信息技术信息交换用七位编码字符集GB/T 9387(所有部分)信息技术开放系统互连基本参考模型GB 13000 信息技术通用多八位编码字符集(UCS)GB/T 15969.3 口J编程序控制器第3部分:编程语言GB/T 17176信息技术开放系统互连应用层结构GB/T 17
14、967 信息技术开放系统互连基本参考模型OSI服务定义约定IEC/TR 611581:2010 工业通信网络现场总线规范第l部分:IEC61158和IEC61784系列标准概述和导则(Industrialcommunication networks Fieldbus specifications Part 1: Overview and guidance for the IEC 61158 and IEC 61784 series) IEC 61158-3-12 工业通信网络现场总线规范第3-12部分:数据链路层服务定义类型12元京(Industrialcommunication networ
15、ks - Fieldbus specifications- Part 3-12: data-link layer service definition - Type 12 elements) ISO/IEC 8802-3信息技术系统间通信和信息交换局域网和城域网特殊要求第3部分:带冲突检测的载波侦昕多路访问CCSMA/CD的访问方法和物理层规范口nformationtechnology - Tele-communications and information exchange between systems- -Local and metropolitan area networks Spe
16、cific requirements -Part 3: Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) ac cess method and physical layer specifications IEEE 802.1D用于局域网和城域网的IEEE标准-公共规范媒体访问控制CMAC)网桥IEEEstandard for local and metropolitan area networks-Common specifications Media access control (MAC) Bridges; a
17、vailable at http:/www.ieee.org IETF RFC 791 闲特网协议DARPA同特网程序协议规范CInternetProtocol darpa internet pro gram protocol specification; available at http:/www.ietf. org) 3 术语、定义、符号、缩略语和约定下列术语、定义、符号、缩略语和约定适用于本文件。3.1 参考模型术语和定义3. 1. 1 对应CN)实体correspondent (N) -entities 2 对应AL实体correspondent AL-entities C N =
18、7) 3.1.2 CN)实体CN)-entity AL实体CN=7)AL-entity CN=7) 3. 1. 3 CN)层CNHayerAL层CN=7)AL-Iayer CN= 7) 3. 1. 4 层管理layer-management 3. 1. 5 对等实体peer-entities 3. 1.6 原语名primitive name 3. 1. 7 AL协议AL-protocoI 3. 1. 8 AL协议数据单元AL-protocoI-data-unit 3. 1.9 复位reset 3. 1. 10 路由routing 3. 1. 11 分段segmenting 3. 1. 12 C
19、N)服务C N) -service AL服务CN = 7) AL-service C N = 7 ) 3. 1. 13 AL服务数据单元AL-service-data-unit 3. 1. 14 AL单工传输AL-simplex-transmission 3. 1. 15 AL子系统AL-subsystem 3. 1. 16 系统管理systems-management 3.1.17 AL用户数据AL-user-da ta 3.2 服务约定术语和定义3.2.1 接受者acceptor 3.2.2 不对称服务asymmetricaI service GB/T 31230.5-2014 GB/T
20、9387.1 J GB/T 9387.1J GB/T 9387.1J GB/T 9387.1J GB/T 9387.1J GB/T 9387.3J GB/T 9387.1J GB/T 9387.1J GB/T 9387.1J GB/T 9387.1J GB/T 9387.1J GB/T 9387.1J GB/T 9387.1 J GB/T 9387.1 J GB/T 9387.1J GB/T 9387.1 J GB/T 9387.1J GB/T 17967J GB/T 17967J 3 GB/T 31230.5-2014 3.2.3 证实(原语)confirm (primitive) 请求者.
21、交付(原语)requestor.deliver (primitive) 3.2.4 交付(原语)deliver (primitive) 3.2.5 AL服务原语AL-service-primitive 3.2.6 AL服务提供者AL-service-provider 3.2.7 AL服务用户AL-service-user 3.2.8 指示(原语)indication Cprimitive) 接受者.交付(原语)a，cceptoI叫eliver(primitive) 3.2.9 请求(原语)request (primitive) 请求者.提交(原语)requestor.submit (primi
22、tive) 3.2.10 请求者requestor 3.2.11 晌应(原i吾)response (primitive) 接受者.提交(原语)acceptor.submit (primitive) 3.2.12 提交(原语)submit (primitive) 3.2.13 对称服务symmetrical s时vice3.3 应用层和数据链路服务术语和定义3.3.1 应用application 生产或消费数据的函数或数据结构。3.3.2 应用对象application objects 通过网络间和网络设备内来管理和提供信息交换的运行时的多个对象类。备设LhH LJUP W从阳的址-m寻b理物站
23、据从数型持本支基只句3句3句吨川W3.3.4 比特bit 由1和0组成的信息单元，是可发送的最小数据单元。3.3.5 客户机client 1) 使用另一个对象的服务来执行任务的对象;4 GB/T 17967J GB/T 17967J GB/T 17967J GB/T 17967J GB/T 17967J GB/T 17967J GB/T 17967J GB/T 17967J GB/T 17967 GB/T 17967J GB/T 17967J GB/T 31230.5-2014 2) 服务器所响应的消息的发起者。3.3.6 通信对象communication object 管理和提供网络上运行
24、时的报文交换的组件。3.3.7 连接connection 在相同或不同设备中的两个应用对象之间的逻辑绑定。3.3.8 周期cyclic 以定期和重复模式进行重复的事件。3.3.9 数据data 泛指现场总线上传送的任何信息。3.3.10 数据一致性data consistency 实现客户机与服务器之间及其内部对输入或输出数据对象的一致性传输和访问的方法。3.3.11 数据类型data type 某种数据类型的值与编码之间的关系。GB/T15969.3的数据类型定义适用于本规施。3.3.12 数据类型对象data句peobj配t在对象字典中指示为数据类型的条目。3.3.13 默认同关defau
25、lt gateway 至少有两个接口在不同的IP子网，并作为子网路由器的设备。3.3.14 设备device 连接到至少由一个通信部件(网络部件)组成的现场总线的物理实体，并且该物理实体可能包含一个控制部件和/或一个终端部件变送器、执行器等)。3.3.15 设备行规device profile 设备相关信息以及提供相似设备间的兼容性的功能的集合。3.3.16 诊断信息diagnosis information 在服务器上出于维护目的的所有可用的数据。3.3.17 分布式时钟distributed c10cks 同步从站并维持一个全局时基的方法。3.3.18 误差error 由计算、观察或测量而
26、来的值或状态与指定或理论上正确的值或状态之间的差异。5 可GB/T 31230.5-2014 3.3.19 错误类error class 相关错误定义与对应错误码的通用类。3.3.20 错误码error code 在一个错误类中一个特定类型错误的标识。3.3.21 事件event 状态发生变化的实例。3.3.22 现场总结内存管理单元fieldbus memory management unit 现场总线内存管理单元拥有在逻辑地址和物理内存间建立一个或多个对应关系的功能。3.3.23 现场总线内存管理单元实体fieldbus memory management unit entity 现场总线
27、的内存管理单元的单个元素:一个连贯的逻辑地址空间和一个连贯的物理内存之间的对应关系。3.3.24 帧frameDLPDU的同义语。3.3.25 完整型从站full slave 同时支持数据的物理寻址和逻辑寻址的从站设备。3.3.26 索引index 在应用过程中一个对象的地址。3.3.27 接口interface 由功能特性、信号特性或其他合适的特性划分的两个功能单元之间的共享边界。3.3.28 小端模式IittIe endian 一种数据表示方法，对于大于8位的数，先发送低8位。3.3.29 主站master 控制网络上的数据传送，通过发送报文来初始化对从站的媒体访问，并构成控制系统的接口的
28、设备。3.3.30 映射mapping 两个对象间的对应关系，使得一个对象成为另一对象的一部分。3.3.31 映射参数mapping parameters 用于定义应用对象与过程数据对象之间通信的一组值。6 、一GB/T 31230.5-2014 3.3.32 媒体medium 在两点或多点间传输通信信号的电缆、光纤或其他介质。3.3.33 报文message 用于传送信息的一系列有序的八位位组。注:通常用于在应用层对等实体之间传递信息。3.3.34 网络network 所有的媒体、连接器、中继器、路由器、网关和相关节点通信部件，用以实现一组通信设备互连。3.3.35 节点node a) 出现
29、在一个本地链路上的单个DL实体;b) 一个网络的链路端点或两个及以上链路的交点见IEC61158-2J。3.3.36 对象object 设备内某一特定组件的抽象描述。注:一个对象可以是:a) 一个设备能力的抽象描述，它由以下任一或所有部分组成:1) 数据(随时间改变的信息); 2) 组态(行为的参数);3) 方法(用数据和组态可以做的事情)。b) 相关数据(以变量的形式)和操作这些数据的方法(程序)的集合。这些方法具有明确定义的接口和行为。3.3.37 对象字典object dictionary 通过包含数据类型对象、通信对象和应用对象描述的索引和子索引寻址的数据结构。3.3.38 过程数据p
30、rocess data 以测量和控制为目的的数据对象，其中包含指定周期传输或非周期传输的应用对象。3.3.39 过程数据对象process data object 通过包含一个或多个过程数据实体的映射参数来描述的结构。3.3.40 段segment现场总线被其特性阻抗终止的主干电缆段。3.3.41 服务器server 为另一个(客户机)对象提供服务的对象。3.3.42 服务service 对象和/或对象类的执行是建立在另一个对象和/或对象类的请求基础上的操作或功能。3.3.43 从站slave 只有在被主站或前面的从站启动后，才能执行媒体访问的DL实体。7 、.GB/T 31230.5-201
31、4 3.3.44 子索引sub-index 在对象字典中的一个对象的子地址。3.3.45 同步管理器sync Manager 控制单元的集合，用来协调对同时使用的对象的访问。3.3.46 同步管理器通道sync Manager channel 用来协调对同时使用的对象的访问的单个控制单元。3.3.47 交换机switch 在IEEE802.1D中定义的MAC桥。3.4 通用符号和缩略语AL-:应用层(作为前绩)Application layer( as a prefix) ALE:应用层实体(应用层的本地活动实例)AL-entity( the local active instance of
32、the application layerJ AL:应用层(AL-layer)APDU:应用层协议数据单元(AL-protocol-data-unit)ALM:应用层管理(AL-management)ALME:应用层管理实体应用层管理的)本地活动实例)AL-managcment Entity( the local active instance of AL-management) ALMS:应用层管理服务(AL-managementservice) ALS:应用层服务(AL-service) AR:应用关系(Applicationrelationship) ASE:应用服务元素(Appicat
33、ionservice element) CAN:控制器局域网(Controllerarea network) CiA:自动化中的CAN(CANin Automation) CoE:基于EtherCAT服务的CAN应用协议(CANapplication prot()col over EtherCAT services) CSMA/CD:带冲突检测的载波监昕多路访问(Carriersensc multiple access with collision detec-tion) DC:分布式时钟(Distributedclocks) DL:数据链路层(Data-link-layer)DNS:域名服务
34、器(在IP网络中用于名称解析的服务器)Domain name system (server for name resolution in IP networks) 8 E2PROM:电可擦可编程只读存储器(Electricallyerasable programmable read only memory) EoE:基于EtherCAT服务的太网隧道(Ethernettunneled over EtherCAT services) ESC: EtherCA T从站控制器(EtherCATslave controller) FCS:帧校验序列(Framecheck sequence) FIFO:
35、先进先出(队列方式)First-in first-out( queuing method) FMMU:现场总线内存管理单元(Fieldbusmemory management unit) FoE:基于EtherCAT服务的文件访问(Fileaccess with EtherCA T services) HDR:帧头(Header)ID:标识符Odentifier)IETF:因特网工程任务组Onternetengineering task force) IP:冈特网协议Onternetprotocol) LAN:局域网(Localarea network) MAC:媒体访问控制(Mediumac
36、cess control) OD:对象字典(0 bj ect dictionary) OSI:开放系统互连(Opensystems interconnection) GB/T 31230.5-2014 PDI:物理设备内部接口(允许从AL访问DL服务的一组元素)Physical device interal interfac巳(aset of elements that allows access to DL-services from the AL) PDO:过程数据对象(Processda ta 0 bj ect) PhL:物理层(Ph-layer)QoS:服务质量(Qualityof s
37、ervice) RAM:随机存取存储器CRandom access memory) Rx:接收(Receive)SDO:服务数据对象CService da ta 0 bj ect) SII:从站信息接口CSlave information interface) SM:同步管理器CSynchronization manager) SyncM:同步管理器(Synchronizationmanager) TCP:传输控制协议CTransmission control protocol) Tx:发送CTransmit)UDP:用户数据报协议(Uscr da tagram protocol) WKC:工
38、作计数HCWorkingcounter) 3.5 约定本部分采用GB/T17967中给出的描述性约定。服务模式、服务原语和时序罔完全是抽象的描述，它们不描述具体的实现规施。服务原语，用来表述服务用户/服务提供者间的交互(见GB/T17967).并传递在用户/提供者交互中指示可用信息的参数。本部分用表格的形式描述服务原语的参数。在本部分后续的表中列出了用于每组服务原语的参数。每个表最多由五列组成，包括服务参数名称、以下原语及服务所使用参数的传递方向各占一列:请求原语的输入参数;一一指示原语的输出参数;一一一响应原语的输入参数;-证实原语的输出参数。注:请求、指示、响应、证实原语分别对应于requ
39、estor.submit , acceptor. deliver , acceptor. su bmi t, requestor. deliver C.!., GB/T 17967)。一个参数(或其一部分)在每个表的各行中列出。在相应的服务原语列内，使用以下代码规定原语参数的使用类型和参数方向:一M:参数对于该原语是必备的。一一U:由用户选择参数，根据服务用户的动态用途可提供也可不提供。在不提供的情况下，需要为参数设定一个默认值。C:以其他参数或服务用户环境为使用条件的参数。一一一(空):参数从未出现。9 G/T 31230.5-2014 某些项在括号内进一步限定，它们可能是参数特定的约束:(
40、=) :该参数从语义上与表中左侧紧邻的服务原i吾参数相同。在任何特定接口上，不是所有参数都必须显性地陈述。其中某些可能隐性地与原语关联。在表示这些接口的罔上，虚线指的是因果或时序关系，而波浪线指的是大致同时发生的事件。4 概念4.1 一般概念除了4.2特定的部分外，其他概念见IEC/TR61158-1的第9章。4.2 类型特定概念4.2.1 工作原理本标准和EtherCAT配套标准描述了二种实时以太网技术，旨在最大限度地利用全双工以太网带宽。媒体访问控制采用主站/从站原则，主站节点(通常是控制系统)发送以太网帧给从站节点，从站节点从这些帧中提取和插入数据。从以太网的角度看，一个EtherCAT
41、网段就是一个单个的以太网设备，它接收和发送标准的ISO/IEC 8802-3以太网帧。但这种以太网设备并不同限于带后方的微处理器的单个以太网控制器，它可能还包含大量的EtherCAT从站设备。这些从站设备直接处理到来的以太网帧，从中读取数据和/或插入自己的数据，并把帧传给下一个从站设备。网段内的最后一个从站设备将完全处理的以太网帧返回，并通过第一个从站设备把它做为响应帧发给主站。此方法采用以太网全双工的模式:双方向的通讯都是独立执行的，主站设备和由一个或多个从站设备构成的EtherCAT网段直接通信不需要使用交换机。工业通信系统在数据传输特性方面需要满足不同的需求。参数数据通常以非周期性、大批量方式传输，其中时序要求相对不苛刻，传输通常由控制系统触发。诊断数据也是以非周期性、事件驱动方式传输，但时序要求更为苛刻，传输通常由外司设备触发。另一方面，过程数据以不同的周期时间周期性的传输。过程数据通信要求严苛的时序。EtherCAT应用层支持多种不同的服务和协议来满足这些不同的要求。4.2.2 通信模型概述EtherCAT应用层区分主站和从站
