概述
ETHERNET Powerlink由奧地利B&R公司于2001年11月創(chuàng)議和開(kāi)發(fā)，并在2002年4月成立了EPSG（ETHERNET Powerlink Standardization Group）。該組織的起始成員有B&R，Hirschmann Electronics，Kuka Roboter，Lenze和Zurick University of Applied Science，目前已發(fā)展為幾十個(gè)會(huì)員，仍在不斷的壯大，其中不乏著名的國(guó)際公司如ABB，Smart Network Device，Baldor等。在2002年4月，EPSG宣布向第三方開(kāi)放，并建立中立的認(rèn)證機(jī)構(gòu)，從而進(jìn)一步推動(dòng)ETHERNET Powerlink的發(fā)展。
ETHERNET Powerlink是到目前為止，唯一的經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，基于高速以太網(wǎng)的開(kāi)放、實(shí)時(shí)通信協(xié)議甚至能用于時(shí)間十分苛求的高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。這是一個(gè)完整的從管理層一直到現(xiàn)場(chǎng)I/O層的確定性傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的透明解決方案，并已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其可預(yù)測(cè)的通信過(guò)程有非常短的循環(huán)時(shí)間（<200祍）和高的實(shí)時(shí)精度（Jitter，即抖動(dòng)或不穩(wěn)定度小于1祍）。ETHERNET Powerlink自發(fā)布以來(lái)，到2003年底，在世界各地的應(yīng)用已有10,000多個(gè)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用范圍自注塑機(jī)械，包裝機(jī)械到批量生產(chǎn)線，一個(gè)特殊的應(yīng)用案例是多于50個(gè)軸和50個(gè)工作站（I/O點(diǎn)數(shù)超過(guò)2,000個(gè)），在2.4ms的循環(huán)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行同步的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
EPSG的戰(zhàn)略合作伙伴目前有：1. CIA/CANOpen，這是設(shè)備層通信協(xié)議和行規(guī)的用戶集團(tuán)，符合EN50325-4標(biāo)準(zhǔn)；2. IAONA（工業(yè)自動(dòng)化開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)），IAONA和ETHERNET Powerlink一起，致力于在IEC中制定實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；3. ZHW（Zurcher Hochschule Winterthur），是服務(wù)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)。 技術(shù)要點(diǎn)
ETHERNET Powerlink是一個(gè)基于高速以太網(wǎng)、建立在ISO/OSI參考模型層2的通信協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)確定和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。其技術(shù)要點(diǎn)是保證確定性的通信，滿足IAONA實(shí)時(shí)等級(jí)4（最高等級(jí)的性能）和最低的抖動(dòng)（小于1祍）；符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)如IEEE 802.3V高速以太網(wǎng)（1G以太網(wǎng)和10G以太網(wǎng)即將問(wèn)世，因而有長(zhǎng)的生命周期），IEEE 1588分布式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的精確時(shí)間同步以及EN 50325-4 CANOpen等；無(wú)縫地集成所有基于IP的協(xié)議（集成在TCP、UDP棧上的TELNET，F(xiàn)TP，SNMP，HTTP等）；多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如樹(shù)型，星型，點(diǎn)線型，菊花鏈等。不使用交換器（只使用集線器）因而消除排隊(duì)延遲；允許網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)能直接地交換數(shù)據(jù)，而不需要通過(guò)主站；沒(méi)有專用芯片；可以熱更換等。
所謂確定性的通信過(guò)程是指它具有一個(gè)精確的可預(yù)測(cè)的定時(shí)，也就是什么時(shí)候數(shù)據(jù)報(bào)文到達(dá)接收者，生成響應(yīng)數(shù)據(jù)和需要多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)傳送該數(shù)據(jù)報(bào)文，都是可預(yù)測(cè)和確定的。它應(yīng)用等時(shí)間同步原理，等時(shí)同步是一種數(shù)據(jù)傳送方法，即在每一個(gè)精確的總線時(shí)鐘周期內(nèi)，確保傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
ETHERNET Powerlink避免網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)沖突（即2個(gè)或2個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)總線）的方法是采用SCNM機(jī)制（SCNM=Slot Communication Network Management，槽通信網(wǎng)絡(luò)管理）。SCNM能做到：保證無(wú)沖突的數(shù)據(jù)傳送；專門(mén)的時(shí)間槽用于調(diào)度等時(shí)同步傳送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；共享的時(shí)間槽用于異步數(shù)據(jù)。
ETHERNET Powerlink有2種工作模式即保護(hù)模式（Protected Mode）和開(kāi)放模式（Open Mode）。
保護(hù)模式：能運(yùn)行循環(huán)時(shí)間最小到200祍，抖動(dòng)總是小于1祍的控制系統(tǒng)。通過(guò)橋路或路由器將網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)段和開(kāi)放IT網(wǎng)絡(luò)分離以避免數(shù)據(jù)沖突，通過(guò)橋路進(jìn)行訪問(wèn)能保證最大的安全性。
開(kāi)放模式：ETHERNET Powerlink通信協(xié)議可應(yīng)用于一個(gè)開(kāi)放的、交換式的網(wǎng)絡(luò)，以IEEE 1588用于時(shí)間同步，在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)和IT網(wǎng)絡(luò)之間不需隔離，這種模式只適用于循環(huán)時(shí)間為ms級(jí)和低到中等定時(shí)要求的控制系統(tǒng)。 工作原理
■ ETHERNET Powerlink的數(shù)據(jù)報(bào)文幀
ETHERNET Powerlink的數(shù)據(jù)報(bào)文幀是在以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)報(bào)文幀基礎(chǔ)上略作改動(dòng)，其L/T字段的值>1500，這是一個(gè)保留的EtherTypeⅡ，用于唯一地識(shí)別Powerlink的數(shù)據(jù)幀。
具體的ETHERNET Powerlink數(shù)據(jù)報(bào)文幀見(jiàn)圖1，其說(shuō)明見(jiàn)表1。
 對(duì)100Mbps的快速以太網(wǎng)，最短的報(bào)文幀其數(shù)據(jù)字段為46個(gè)凈字節(jié)（即使沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送），包括額外開(kāi)銷為84個(gè)字節(jié)，傳送時(shí)間為6.7祍。最長(zhǎng)的報(bào)文幀，其數(shù)據(jù)字段為1488個(gè)凈字節(jié)（總字節(jié)1538），傳送時(shí)間為123祍。
MAC(介質(zhì)訪問(wèn)控制)，ETHERNET Powerlink站的以太網(wǎng)地址，其首5個(gè)字節(jié)是常數(shù)，即00-60-65-00-49，第6個(gè)字節(jié)是站號(hào)，正確的站地址必須在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上設(shè)定，其中管理站的地址必須是0，控制站的地址為1到253。254和255保留作為網(wǎng)絡(luò)上的配置和服務(wù)之用。
■ 同步和延遲
同步和延遲是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的決定性因素。同步?jīng)Q定了分布式系統(tǒng)能辨識(shí)的定時(shí)事件的準(zhǔn)確度，通常是指所有部件同時(shí)執(zhí)行一個(gè)重復(fù)出現(xiàn)的動(dòng)作。同步偏差可以是常量，也可以是變量，后者一般稱為抖動(dòng)，常量偏差不是關(guān)鍵且很容易被補(bǔ)償，但抖動(dòng)不可能被補(bǔ)償，延遲是一個(gè)事件發(fā)生直到另一個(gè)部件對(duì)此事件作出反應(yīng)所經(jīng)歷的時(shí)間量，延遲和同步呈負(fù)相關(guān)。
ETHERNET Powerlink基本上是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行的等時(shí)同步系統(tǒng)，即所有的系統(tǒng)數(shù)據(jù)是在同一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)進(jìn)行再生成、交換和處理，而事件控制系統(tǒng)（狀態(tài)改變）僅當(dāng)事件發(fā)生或狀態(tài)改變時(shí)交換數(shù)據(jù)。
■ 通信的實(shí)現(xiàn)
通信關(guān)系 ETHERNET Powerlink使用一個(gè)等時(shí)同步的時(shí)間槽以分配發(fā)送數(shù)據(jù)的授權(quán)，這可避免數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生沖突。在網(wǎng)絡(luò)上，只能指定一個(gè)站作為管理站（如需要，可配置冗余的管理站），它為所有在網(wǎng)絡(luò)上的其他站（控制站）建立一個(gè)配置表和分配時(shí)間槽，只有管理站能接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其他站只是在管理站的授權(quán)下才能發(fā)送數(shù)據(jù)。管理站通過(guò)PollRequest幀循環(huán)地按配置表訪問(wèn)各控制站�？刂普臼潜粍�(dòng)的總線節(jié)點(diǎn)，PollRequest幀只能由對(duì)應(yīng)地址的被控站所接收，然后該控制站以PollResponse幀響應(yīng)并作為廣播報(bào)文發(fā)送。該報(bào)文允許網(wǎng)絡(luò)上所有其他的站監(jiān)控接收，這種關(guān)系稱為出版者/訂閱者的通信關(guān)系。
循環(huán)周期 ETHERNET Powerlink在一個(gè)固定的時(shí)間間隔內(nèi)循環(huán)地在站與站之間交換數(shù)據(jù)，循環(huán)時(shí)間由工程技術(shù)人員通過(guò)有關(guān)軟件設(shè)定，一個(gè)服務(wù)循環(huán)有啟動(dòng)、循環(huán)、異步和空閑4個(gè)周期，具體說(shuō)明如下：
啟動(dòng)周期：發(fā)送Start-of-Cyclic幀，準(zhǔn)備好必要的數(shù)據(jù)。
異步周期：發(fā)送End-of-Cyclic幀和起始非循環(huán)的通信，如有控制站需要發(fā)送異步幀（非時(shí)間苛求的數(shù)據(jù)幀），則它發(fā)送一個(gè)PollResponse幀給管理站并進(jìn)行排隊(duì)，管理站檢查異步發(fā)送授權(quán)的配置表，并按優(yōu)先級(jí)的高低從所有排隊(duì)的控制站中進(jìn)行選擇（包括它本身），然后發(fā)送一個(gè)Invite Frame（邀請(qǐng)幀）給該站，該站就可以發(fā)送異步報(bào)文，這是個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的報(bào)文。
空閑周期：在完成異步報(bào)文后尚剩余的時(shí)間段。在這個(gè)時(shí)間段，所有網(wǎng)絡(luò)上的站“等待”下一個(gè)循環(huán)的開(kāi)始，這個(gè)時(shí)間段是個(gè)變量，亦可能是0。
有2種形式的運(yùn)行，這2種形式可以混合運(yùn)行。
1、 管理站作為中央站而控制站是其外圍設(shè)備，管理站通過(guò)PollRequest發(fā)送輸出數(shù)據(jù)，每個(gè)被控站通過(guò)PollRequest發(fā)送其本身的輸入數(shù)據(jù)。
2、 管理站僅作為中央時(shí)鐘，沒(méi)有通過(guò)PollRequest幀發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)為分布式智能，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)控制站之間進(jìn)行交換。
4個(gè)通信周期在圖2中予以說(shuō)明。
■ 超時(shí)（Timeout）
控制站必須在PollRequest幀結(jié)束后的一個(gè)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以PollResponse幀響應(yīng)，如管理器在Timeout時(shí)間仍不能接收到來(lái)自控制站正確的PollResponse幀，則它認(rèn)為或者是站出現(xiàn)故障或者是由于干擾導(dǎo)致PollResponse幀丟失或訛誤。管理站通過(guò)Quick-Ident幀進(jìn)行檢查和識(shí)別，如確認(rèn)超時(shí)，則ETHERNET Powerlink停止循環(huán)，報(bào)文傳送將在下一個(gè)循環(huán)的開(kāi)始（SoC）繼續(xù)進(jìn)行，下一個(gè)循環(huán)期中不會(huì)訪問(wèn)該故障站，但在訪問(wèn)非循環(huán)數(shù)據(jù)的異步周期，由Ident進(jìn)行訪問(wèn)，如故障站能響應(yīng)，則在隨后的循環(huán)中恢復(fù)對(duì)該故障站的訪問(wèn)。在今后的修改版本中，對(duì)這種情況的處理將改為報(bào)文重發(fā)，如故障站對(duì)重發(fā)的報(bào)文仍不能響應(yīng)，則管理站標(biāo)志該站為非活動(dòng)站。 ■ 應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)
在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，往往有幾個(gè)主軸控制或同步十幾個(gè)以至幾十個(gè)從軸的場(chǎng)合。為此，ETHERNET Powerlink將控制站分為2種類型：
類型1-循環(huán)：在每一次循環(huán)中必須訪問(wèn)的控制站。
類型2-預(yù)配置比例：在每一次循環(huán)中，只訪問(wèn)預(yù)配置的一部分站。
因此每一次ETHERNET Powerlink循環(huán)中訪問(wèn)的站數(shù)等于全部類型1的站再加上預(yù)配置的最大數(shù)據(jù)的類型2站。這樣安排的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)化帶寬和平衡網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，具體見(jiàn)圖3。
 展望
EPSG各個(gè)工作組集中力量進(jìn)一步發(fā)展ETHERNET Powerlink ，今年的漢諾威覽會(huì)上將推出ETHERNET Powerlink版本2的產(chǎn)品，其主要特點(diǎn)為：
集成CANopen通信協(xié)議和設(shè)備行規(guī)；
在Protected ETHERNET Powerlink網(wǎng)絡(luò)（V2）上所有網(wǎng)絡(luò)站的透明IP編址；
擴(kuò)展的設(shè)備配置、管理、診斷和維護(hù)以及差錯(cuò)管理；
使用IEEE 1588（V3），通過(guò)開(kāi)放的工廠網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分布式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的段同步化。
本文根據(jù)EPSG組織的相關(guān)技術(shù)資料編輯而成，有興趣的讀者可訪問(wèn)其網(wǎng) www.ethernetpowerlink.org。
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