真正的实时工业以太网技术－－Ethernet POWERLINK_实时工业以太网_Ethernet

真正的实时工业以太网技术－－Ethernet POWERLINK

2012/1/10 10:07:15

1. 引言

　　曾几何时，现场总线方案给自动化行业带了辉煌的发展，然而随着工业自动化的发展，目前的现场总线方案已经不能完全适应市场的需求，未来对于自动化的解决方案有了新的要求：
 速度相比现场总线有大幅度的提高；
 由于任务越来越多，越来越复杂，要求网络能够承载大量的数据交换；
 对不可测事件的反应时间的要求提高了；
 最大限度的使用标准的，可靠的技术，以降低开发成本。
　　于是快速以太网技术进入人们的视野，它以至少10倍于现有现场总线的速度（100Mbps）完全满足了未来工业网络对于速度的要求，并且技术成熟可靠。然而快速以太网CSMA/CD的工作原理决定了它不是一个实时的网络，这对于未来的工业自动化控制是不可接受的。

　　奥地利贝加莱（B&R）公司在这方面做出了贡献，她以快速以太网为基础，开发出了真正的实时工业以太网——Ethernet POWERLINK。贝加莱2001年首次向公众介绍Ethernet POWERLINK，同年11月EPSG(Ethernet POWERLINK Standardization Group)联盟成立，2003年6月EPSG协会成立并和CiA(CAN in Automation)开展合作，同年11月由EPSG介绍Ethernet POWERLINK V2。到目前为止，有超过150,000个节点投入使用，超过300个支持者、供应商和终端用户。

2. Ethernet POWERLINK技术特点
 单个网段最多连接240个实时站点；
 真正的确定性通讯
 达到IAONA实时等级4级（最高等级）；
 快速，100Mbit/s，最小循环周期200us；
 网络站点之间精确同步，抖动小于1us；
 标准化
 底层技术采用IEEE802.3u，快速以太网；
 支持IP协议（TCP，UDP…）；
 集成CANopen行规EN50325-4，实现设备的互操作性；
 基于标准的以太网芯片，不需要特别的ASICs；
 直接点到点通讯
 支持热插拔
 支持多CPU解决方案，优化负载，使之大体平衡。

3. Ethernet POWERLINK技术原理

 Ethernet POWERLINK物理层，MAC层：遵循IEEE802.3u，100Base-TX
Ethernet POWERLINK帧在以太网的数据域里传输。

 Ethernet POWERLINK数据链路层（EPL Datalink Layer）
　　EPL数据链路层以标准的以太网CSMA/CD技术（IEEE802.3）为基础，但是CSMA/CD的工作原理决定了它不能实现通讯的确定性，于是EPL引入SCNM(Slot Communication Network Management)机制，实现了数据通讯的确定性。
　　SCNM给同步数据和异步数据分配时槽，保证了在同一时间只有一个设备可以占用网络媒介，从而彻底杜绝了网络冲突的发生。SCNM由EPL网络中的管理节点MN（Managing Node）来管理，其他的节点称为控制节点CN（Controlled Node）。
　　SCNM规定在一个EPL网络中只有一个激活的MN，MN配置网络中所有可用的节点。只有MN可以独立地发送数据，CN只有在得到MN允许的情况下发送数据。

　　SCNM协议按照一定的规则预先计划并组织了消息组，一个消息组设为一个EPL循环（见图2）。在每个循环中可以分为同步阶段和异步阶段，同步阶段每个同步节点占有固定间隔的时槽，由MN轮流访问，从而实现通讯的确定性。异步阶段发送非实时数据，数据传送由MN调度。
　　EPL循环可以分为4个阶段：开始阶段，同步阶段，异步阶段和空闲阶段。每个阶段的时间由MN预先配置，长度可以不同。MN随时监控循环时间，以保证预设的时间不发生冲突。一旦冲突发生，MN自动延续到下一个循环的开始位置。

开始阶段：

　　MN广播发送Start-of-Cyclic（SoC）帧开始通讯周期。它的发送接收时间作为所有站点时序的基础。只有SoC帧由时间控制，其他帧由事件控制。

同步阶段：

　　MN发送SoC帧后开始同步数据交换。MN发送指定地址的单向请求帧PollRequest给CN，目标CN广播发送响应帧PollResponse给其他所有的节点，允许其他所有的节点监控该帧。PollRequest和PollResponse都可以传输应用数据。MN循环访问完同步节点后，MN广播发送响应帧PollResponse。

异步阶段：

　　MN发送SoA（Start-of-Asynchronous）帧表示异步阶段的开始，SoA帧用来标记非激活的CNs，给要发送异步数据的CN令牌，以及给CN发送异步数据的权限。

　　异步数据的发送由MN进行调度，如果CN要发送异步数据，它在PollResponse帧或StatusResponse帧中通知MN。MN的异步数据调度器会决定在哪个循环可以发送异步帧。这决定了发送请求不会被无限期地拖延，即使在网络负载很高的情况下。

空闲阶段：

　　空闲阶段是异步阶段结束和下一个循环开始之间的时间间隔，在这个阶段，所有的网络组件“等待”下一个循环的开始。

“Active”节点的识别

　　MN配置有网络中所有节点的列表。MN启动的时候，所有的CNs被标记为“Inactive”，然后这些CNs被IdentRequest帧（特别的SoA帧）周期访问。当CN接收到标有自己地址的IdentRequest帧时，它在同一个异步周期中返回响应帧IdentResponse。当MN接收到CN来的响应帧IdentResponse时，该CN被标记为“Active”。

Ethernet Powerlink应用层

　　EPSG组织和CiA(CAN in Automation)合作，把CANopen的EN50325-4规约移植到EPL中来。每一种符合EPL标准的设备都由一个统一的设备模型来描述。设备模型的核心部分是通过对象字典（Object Dictionary）对设备功能进行描述。对象字典分为两部分，第一部分包括基本的设备信息，例如设备ID，制造商，通信参数等等。第二部分描述了特殊的设备功能。一个16位的索引和一个8位的子索引唯一确定了对象字典的入口。通过对象字典的入口可以对设备的"应

用对象"进行基本网络访问，设备的"应用对象"可以是输入输出信号，设备参数，设备功能和网络变量等。

　　高同步精度数据通过过程数据对象PDO(Process Data Object)进行数据交换。网络中每个站点都可以读取PDO，并对它进行处理。PDO最大长度1490字节，最多可以有254个PDO对象。

　　参数下载，诊断数据等非关键数据可以放在服务数据对象（SDO）中传输，非同步段的SDO的传输遵循客户端/服务器模式。网络中任何一个EPL站点都可以通过对象字典（Object Dictionary）访问另一个站点的SDO，数据量的大小没有限制。同时SDO协议允许标准IP 帧通过UDP/IP通道访问。这就使得外面的系统通过EPL路由可以直接访问该设备的对象字典（OD）。

4. 未来展望
　　Ethernet POWERLINK未来的发展方向为安全性和快速性。
　　现场总线的安全性都朝着智能化的方向发展，EPL也不例外。EPSG正在制定Ethernet POWERLINK Safety协议规范，有望在近期推出。EPL Safety以EPL为基础，着重强调整体安全的概念，主要特点为系统的离散性、灵活性、快速性和开放性。
　　目前已经发展到了千兆以太网，由于Ethernet POWERLINK和以太网有着很好的继承性，可以预见在不久的将来，千兆工业以太网Ethernet POWERLINK会出现在实际的工业应用现场。