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案例頻道

真正的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)Ethernet POWERLINK
    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150,000個節(jié)點投入使用,超過300個支持者、供應商和終端用戶。

  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。

  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)。 
 
  SCNM協(xié)議按照一定的規(guī)則預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預先配置,長度可以不同。MN隨時監(jiān)控循環(huán)時間,以保證預設(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。

  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幀IdentResponse。當MN接收到CN來的響應幀IdentResponse時,該CN被標記為“Active”。

  Ethernet POWERLINK應用層

  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"應用對象"進行基本網(wǎng)絡(luò)訪問,設(shè)備的"應用對象"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。
 
  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)應用現(xiàn)場。

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