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真正的实时工业以太网技术Ethernet POWERLINK

--真正的实时工业以太网技术Ethernet POWERLINK

供稿:贝加莱工业自动化(中国)有限公司 2012/1/30 14:00:47

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  • 关键词: 工业以太网 Ethernet POWERLINK
  • 摘要:本文简单的介绍了真正的工业以太网Ethernet POWERLINK的发展历程、技术特点以及实现的基本原理,并简单的展望了它的发展趋势。技术原理部分简要介绍了EPL网络的模型,物理层、MAC层、SCNM协议以及应用层的基本原理。

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);


图1:抖动定

 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。

图2:负载平衡

Every Cycle:Station 1,2,3;Multiplexed:Station 4-11
-拓扑结构灵活,支持总线型,星型,树型,菊花链。。。

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

图7:EPL应用层设备模型

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。




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