1.     引言

曾幾何時，現(xiàn)場總線方案給自動化行業(yè)帶了輝煌的發(fā)展，然而隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，目前的現(xiàn)場總線方案已經(jīng)不能完全適應(yīng)市場的需求，未來對于自動化的解決方案有了新的要求：

n 速度相比現(xiàn)場總線有大幅度的提高；

n 由于任務(wù)越來越多，越來越復(fù)雜，要求網(wǎng)絡(luò)能夠承載大量的數(shù)據(jù)交換；

n 對不可測事件的反應(yīng)時間的要求提高了；

n 最大限度的使用標準的，可靠的技術(shù)，以降低開發(fā)成本。

于是快速以太網(wǎng)技術(shù)進入人們的視野，它以至少10倍于現(xiàn)有現(xiàn)場總線的速度（100Mbps）完全滿足了未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對于速度的要求，并且技術(shù)成熟可靠。然而快速以太網(wǎng)CSMA/CD的工作原理決定了它不是一個實時的網(wǎng)絡(luò)，這對于未來的工業(yè)自動化控制是不可接受的。

奧地利貝加萊（B&R）公司在這方面做出了貢獻，她以快速以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，開發(fā)出了真正的實時工業(yè)以太網(wǎng)——Ethernet Powerlink。貝加萊2001年首次向公眾介紹Ethernet Powerlink，同年11月EPSG(Ethernet Powerlink Standardization Group)聯(lián)盟成立，2003年6月EPSG協(xié)會成立并和CiA(CAN in Automation)開展合作，同年11月由EPSG介紹Ethernet Powerlink V2。到目前為止，有超過150000個節(jié)點投入使用，超過300個支持者、供應(yīng)商和終端用戶。

2.     Ethernet Powerlink技術(shù)特點

n 單個網(wǎng)段最多連接240個實時站點；

n 真正的確定性通訊

?  達到IAONA實時等級4級（最高等級）；

?  快速，100Mbit/s，最小循環(huán)周期200us；

?  網(wǎng)絡(luò)站點之間精確同步，抖動小于1us；

n 標準化

?  底層技術(shù)采用IEEE802.3u，快速以太網(wǎng)；

?支持IP協(xié)議（TCP，UDP…）；

?  集成CANopen行規(guī)EN50325-4，實現(xiàn)設(shè)備的互操作性；

?  基于標準的以太網(wǎng)芯片，不需要特別的ASICs；

n 直接點到點通訊

n 支持熱插拔

n 支持多CPU解決方案，優(yōu)化負載，使之大體平衡。

圖2：負載平衡

Every Cycle：Station 1，2，3；Multiplexed：Station 4-11

-拓撲結(jié)構(gòu)靈活，支持總線型，星型，樹型，菊花鏈。。。

3.     Ethernet Powerlink技術(shù)原理

?  Ethernet Powerlink物理層，MAC層：遵循IEEE802.3u，100base-TX

Ethernet Powerlink幀在以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)域里傳輸。

?  Ethernet Powerlink數(shù)據(jù)鏈路層（EPL Datalink layer）

EPL數(shù)據(jù)鏈路層以標準的以太網(wǎng)CSMA/CD技術(shù)（IEEE802.3）為基礎(chǔ)，但是CSMA/CD的工作原理決定了它不能實現(xiàn)通訊的確定性，于是EPL引入SCNM(Slot Communication Network Management)機制，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通訊的確定性。

SCNM給同步數(shù)據(jù)和異步數(shù)據(jù)分配時槽，保證了在同一時間只有一個設(shè)備可以占用網(wǎng)絡(luò)媒介，從而徹底杜絕了網(wǎng)絡(luò)沖突的發(fā)生。SCNM由EPL網(wǎng)絡(luò)中的管理節(jié)點MN（Managing Node）來管理，其他的節(jié)點稱為控制節(jié)點CN（Controlled Node）。

SCNM規(guī)定在一個EPL網(wǎng)絡(luò)中只有一個激活的MN，MN配置網(wǎng)絡(luò)中所有可用的節(jié)點。只有MN可以獨立地發(fā)送數(shù)據(jù)，CN只有在得到MN允許的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖4：SCNM概念

SCNM協(xié)議按照一定的規(guī)則預(yù)先計劃并組織了消息組，一個消息組設(shè)為一個EPL循環(huán)（見圖2）。在每個循環(huán)中可以分為同步階段和異步階段，同步階段每個同步節(jié)點占有固定間隔的時槽，由MN輪流訪問，從而實現(xiàn)通訊的確定性。異步階段發(fā)送非實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送由MN調(diào)度。

EPL循環(huán)可以分為4個階段：開始階段，同步階段，異步階段和空閑階段。每個階段的時間由MN預(yù)先配置，長度可以不同。MN隨時監(jiān)控循環(huán)時間，以保證預(yù)設(shè)的時間不發(fā)生沖突。一旦沖突發(fā)生，MN自動延續(xù)到下一個循環(huán)的開始位置。

圖5：EPL循環(huán)

圖6：循環(huán)時間沖突時MN的處理方式

開始階段：

MN廣播發(fā)送Start-of-Cyclic（SoC）幀開始通訊周期。它的發(fā)送接收時間作為所有站點時序的基礎(chǔ)。只有SoC幀由時間控制，其他幀由事件控制。

同步階段：

MN發(fā)送SoC幀后開始同步數(shù)據(jù)交換。MN發(fā)送指定地址的單向請求幀PollRequest給CN，目標CN廣播發(fā)送響應(yīng)幀PollResponse給其他所有的節(jié)點，允許其他所有的節(jié)點監(jiān)控該幀。PollRequest和PollResponse都可以傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)。MN循環(huán)訪問完同步節(jié)點后，MN廣播發(fā)送響應(yīng)幀PollResponse。

異步階段：

MN發(fā)送SoA（Start-of-Asynchronous）幀表示異步階段的開始，SoA幀用來標記非激活的CNs，給要發(fā)送異步數(shù)據(jù)的CN令牌，以及給CN發(fā)送異步數(shù)據(jù)的權(quán)限。

異步數(shù)據(jù)的發(fā)送由MN進行調(diào)度，如果CN要發(fā)送異步數(shù)據(jù)，它在PollResponse幀或StatusResponse幀中通知MN。MN的異步數(shù)據(jù)調(diào)度器會決定在哪個循環(huán)可以發(fā)送異步幀。這決定了發(fā)送請求不會被無限期地拖延，即使在網(wǎng)絡(luò)負載很高的情況下。

空閑階段：

空閑階段是異步階段結(jié)束和下一個循環(huán)開始之間的時間間隔，在這個階段，所有的網(wǎng)絡(luò)組件“等待”下一個循環(huán)的開始。

“Active”節(jié)點的識別

MN配置有網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的列表。MN啟動的時候，所有的CNs被標記為“Inactive”，然后這些CNs被IdentRequest幀（特別的SoA幀）周期訪問。當(dāng)CN接收到標有自己地址的IdentRequest幀時，它在同一個異步周期中返回響應(yīng)幀IdentResponse。當(dāng)MN接收到CN來的響應(yīng)幀IdentResponse時，該CN被標記為“Active”。

?  Ethernet Powerlink應(yīng)用層

EPSG組織和CiA(CAN in Automation)合作，把CANopen的EN50325-4規(guī)約移植到EPL中來。每一種符合EPL標準的設(shè)備都由一個統(tǒng)一的設(shè)備模型來描述。設(shè)備模型的核心部分是通過對象字典（object Dictionary）對設(shè)備功能進行描述。對象字典分為兩部分，第一部分包括基本的設(shè)備信息，例如設(shè)備ID，制造商，通信參數(shù)等等。第二部分描述了特殊的設(shè)備功能。一個16位的索引和一個8位的子索引唯一確定了對象字典的入口。通過對象字典的入口可以對設(shè)備的"應(yīng)用對象"進行基本網(wǎng)絡(luò)訪問，設(shè)備的"應(yīng)用對象"可以是輸入輸出信號，設(shè)備參數(shù)，設(shè)備功能和網(wǎng)絡(luò)變量等。

圖7：EPL應(yīng)用層設(shè)備模型

高同步精度數(shù)據(jù)通過過程數(shù)據(jù)對象PDO(Process Data object)進行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)中每個站點都可以讀取PDO，并對它進行處理。PDO最大長度1490字節(jié)，最多可以有254個PDO對象。

參數(shù)下載，診斷數(shù)據(jù)等非關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以放在服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDO）中傳輸，非同步段的SDO的傳輸遵循客戶端/服務(wù)器模式。網(wǎng)絡(luò)中任何一個EPL站點都可以通過對象字典（object Dictionary）訪問另一個站點的SDO，數(shù)據(jù)量的大小沒有限制。同時SDO協(xié)議允許標準IP 幀通過UDP/IP通道訪問。這就使得外面的系統(tǒng)通過EPL路由可以直接訪問該設(shè)備的對象字典（OD）。

4.     未來展望

Ethernet Powerlink未來的發(fā)展方向為安全性和快速性。

現(xiàn)場總線的安全性都朝著智能化的方向發(fā)展，EPL也不例外。EPSG正在制定Ethernet Powerlink Safety協(xié)議規(guī)范，有望在近期推出。EPL Safety以EPL為基礎(chǔ)，著重強調(diào)整體安全的概念，主要特點為系統(tǒng)的離散性、靈活性、快速性和開放性。

目前已經(jīng)發(fā)展到了千兆以太網(wǎng)，由于Ethernet Powerlink和以太網(wǎng)有著很好的繼承性，可以預(yù)見在不久的將來，千兆工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet Powerlink會出現(xiàn)在實際的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場。