真正實時以太網(wǎng)——Ethernet Powerlink
奧地利貝加萊(B&R)公司開發(fā)的 Ethernet Powerlink(EPL)標準是一種可滿足最苛刻實時要求(4級)座云、并已投入實際應用的工業(yè)以太網(wǎng)作姐。該公司當初開發(fā)Ethernet Powerlink的思路是在標準以太網(wǎng)基礎上建立一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)來滿足控制中最苛刻的實時要求雄炕，同時克服以上介紹的傳統(tǒng)解決方案的局限性。
Ethernet Powelink主要技術指標：用標準以太網(wǎng)IEEE802.3u(Fast Ether-net)作為傳輸媒介匾委；傳輸速率100Mb/s拖叙；使用標準Hub和標準接線；實時數(shù)據(jù)傳輸周期最小達200?s赂乐；抖動小于1?s薯鳍；可同時傳輸實時和非實時數(shù)據(jù)；可同時傳輸IP協(xié)議沪猴；使用以太網(wǎng)標準硬件設備辐啄。
1. 工作原理——時間槽通信管理機制
為避免沖突、盡量利用帶寬运嗜，EPL在時間上重新組織了網(wǎng)絡中站間信息交換機制，在CSMA基礎上引入時間槽管理機制悯舟。網(wǎng)絡其中一個站點充當管理站管理網(wǎng)絡通信担租，對其他所有站點給定同步節(jié)拍，分別分配各站發(fā)布權限抵怎，各站只能在得到發(fā)布權限后才可發(fā)布信息奋救。
一個EPL通信周期可分成4個階段(如圖4)：
(1)開始階段：管理員發(fā)布“通信周期開始(SoC)”信號，信號以廣播方式發(fā)給所有站點反惕。此信號發(fā)出后赶马，各站點就此同步麸奇。
(2)同步階段：這階段中所有站點進行同步信息交換，管理站按照一個事先定義的順序給某站發(fā)一個PRq幀既屋，要求此站發(fā)布信息票援。此站得到發(fā)布許可后，以廣播形式發(fā)出一幀PRs回應信息闰幽，所有站點都可收到這幀信息膊争，也包括那些應該得到這幀信息的站點。站點間直接橫向通信方式和CAN總線很相似屯贺。
(3)異步階段：這個階段是給無實時要求的信息留下的渣碌，管理站發(fā)給某站一個“邀請”幀，此站便可發(fā)布非同步信息摸进，比如一幀IP信息饰样。
(4)閑置階段：到下一個周期前的等待時間。
2. 拓撲結(jié)構(gòu)
通過使用Hub可實現(xiàn)任意網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)挽晌，因為同時間內(nèi)網(wǎng)絡中只有一站可發(fā)送信息菲瓶，不會發(fā)生沖突，所以Hub使用數(shù)量不受限制矛渴。系統(tǒng)可使用雙端口Hub椎扬，實現(xiàn)單線形串連式的拓撲結(jié)構(gòu)。EPL網(wǎng)絡不建議使用網(wǎng)絡交換器具温，因為它會導致更高系統(tǒng)延遲和抖動蚕涤。外界標準以太網(wǎng)(如局域網(wǎng))可直接通過一個網(wǎng)關用IP協(xié)議訪問EPL網(wǎng)絡。
Ethernet Powerlink V2的應用層接口是以CANOpen(CAN in Auto-mation組織定義)中DS301通信規(guī)范定義的機制為基礎的铣猩。這樣揖铜，EPL可直接使用已在CANopen中定義的大量設備元器件特征，實現(xiàn)了CANopen和EPL網(wǎng)絡通信的一貫性达皿，也簡化了從CANopen到Ether-netPowerlink的軟件層過渡天吓。
3. Ethernet Powerlink和TCP/IP的兼容性
在工控領域使用以太網(wǎng)的一個重要目的是實現(xiàn)貫穿管理層到現(xiàn)場層乃至傳感器、執(zhí)行器層的通信峦椰。各個層之間沒有位置或系統(tǒng)所造成的界線龄寞，通信使用IP協(xié)議。Ethernet Powerlink通過兩個機制來實現(xiàn)這個目標：實時和非實時(異步)信息可同時傳輸汤功；透明地在異步時間槽發(fā)送和接收IP協(xié)議信息(如圖5)物邑。
Ethernet Powerlink接口函數(shù)API和標準以太網(wǎng)驅(qū)動函數(shù)完全兼容。在應用層上吟芜，基于IP的協(xié)議或軟件都可不加改動就直接使用耻覆。在通信實時性不重要時，如程序下載、系統(tǒng)編程診斷或參數(shù)配置過程中营慷，用Ethernet Powerlink的開放模式可使所有站點作為普通以太網(wǎng)站點的模式來使用(非實時模式)慢荧。在這個模式下EPL站點對普通以太網(wǎng)來說完全透明。
4. Ethernet Powerlink 的實際應用與標準化進程
Ethernet Powerlink投入實際應用3年以來朽慕，用戶反應良好松奖，在世界范圍內(nèi)已有兩萬個以上的節(jié)點投入使用，并以極高速度擴大市場占有率谬堕。它證明以太網(wǎng)可滿足控制系統(tǒng)對實時性最苛刻的要求计员。從三軸同步的全電子注塑機(通信周期400?s，抖動<1?s)沈论，到25軸無軸印刷機(通信周期800?s假仙，抖動<1?s)，乃至50軸加50個IO站點的大型包裝機械(通信周期2.4ms簿煌，抖動<1ms)氮唯，它的性能都已在現(xiàn)場中得到了考驗。
當然姨伟，一個新的通信標準是否能被廣大用戶接受惩琉，除技術優(yōu)勢外，這個標準的普及程度是最關鍵的因素夺荒。為加快EPL標準的普及瞒渠，貝加萊開發(fā)EPL標準后隨即公開了這個技術，并委托中立機構(gòu)(蘇黎世工科學院)來管理此項標準技扼。此后伍玖，歐洲幾個知名工控企業(yè)如Lenze、Kuka Roboter剿吻、Hirschmann也加入到這個行列中來窍箍，成立了Ethernet Powerlink標準化協(xié)會EPSG，目的是共同開發(fā)有關硬軟件產(chǎn)品丽旅，使Ethernet Powerlink盡快在工控行業(yè)中得到普及椰棘。至今全世界已有30多家知名工控企業(yè)，其中包括終端用戶參加EPSG協(xié)會榄笙，共同參與Ethernet Powerlink標準的改進丰倾，并同時開發(fā)、生產(chǎn)有關硬軟件產(chǎn)品晶聂。 這使得此標準獨立于任何公司颖怕，成為一個世界性的、開放的工業(yè)以太網(wǎng)標準译拿。
同時，EPSG正與IEEE標準化組織商討關于使Ethernet Powerlink成為IEEE新一代工業(yè)以太網(wǎng)標準的一部分请癣，使其成為真正的國際標準薛对。
Ethernet Powelink主要技術指標：用標準以太網(wǎng)IEEE802.3u(Fast Ether-net)作為傳輸媒介匾委；傳輸速率100Mb/s拖叙；使用標準Hub和標準接線；實時數(shù)據(jù)傳輸周期最小達200?s赂乐；抖動小于1?s薯鳍；可同時傳輸實時和非實時數(shù)據(jù)；可同時傳輸IP協(xié)議沪猴；使用以太網(wǎng)標準硬件設備辐啄。
1. 工作原理——時間槽通信管理機制
為避免沖突、盡量利用帶寬运嗜，EPL在時間上重新組織了網(wǎng)絡中站間信息交換機制，在CSMA基礎上引入時間槽管理機制悯舟。網(wǎng)絡其中一個站點充當管理站管理網(wǎng)絡通信担租，對其他所有站點給定同步節(jié)拍，分別分配各站發(fā)布權限抵怎，各站只能在得到發(fā)布權限后才可發(fā)布信息奋救。
一個EPL通信周期可分成4個階段(如圖4)：
(1)開始階段：管理員發(fā)布“通信周期開始(SoC)”信號，信號以廣播方式發(fā)給所有站點反惕。此信號發(fā)出后赶马，各站點就此同步麸奇。
(2)同步階段：這階段中所有站點進行同步信息交換，管理站按照一個事先定義的順序給某站發(fā)一個PRq幀既屋，要求此站發(fā)布信息票援。此站得到發(fā)布許可后，以廣播形式發(fā)出一幀PRs回應信息闰幽，所有站點都可收到這幀信息膊争，也包括那些應該得到這幀信息的站點。站點間直接橫向通信方式和CAN總線很相似屯贺。
(3)異步階段：這個階段是給無實時要求的信息留下的渣碌，管理站發(fā)給某站一個“邀請”幀，此站便可發(fā)布非同步信息摸进，比如一幀IP信息饰样。
(4)閑置階段：到下一個周期前的等待時間。
2. 拓撲結(jié)構(gòu)
通過使用Hub可實現(xiàn)任意網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)挽晌，因為同時間內(nèi)網(wǎng)絡中只有一站可發(fā)送信息菲瓶，不會發(fā)生沖突，所以Hub使用數(shù)量不受限制矛渴。系統(tǒng)可使用雙端口Hub椎扬，實現(xiàn)單線形串連式的拓撲結(jié)構(gòu)。EPL網(wǎng)絡不建議使用網(wǎng)絡交換器具温，因為它會導致更高系統(tǒng)延遲和抖動蚕涤。外界標準以太網(wǎng)(如局域網(wǎng))可直接通過一個網(wǎng)關用IP協(xié)議訪問EPL網(wǎng)絡。
Ethernet Powerlink V2的應用層接口是以CANOpen(CAN in Auto-mation組織定義)中DS301通信規(guī)范定義的機制為基礎的铣猩。這樣揖铜，EPL可直接使用已在CANopen中定義的大量設備元器件特征，實現(xiàn)了CANopen和EPL網(wǎng)絡通信的一貫性达皿，也簡化了從CANopen到Ether-netPowerlink的軟件層過渡天吓。
3. Ethernet Powerlink和TCP/IP的兼容性
在工控領域使用以太網(wǎng)的一個重要目的是實現(xiàn)貫穿管理層到現(xiàn)場層乃至傳感器、執(zhí)行器層的通信峦椰。各個層之間沒有位置或系統(tǒng)所造成的界線龄寞，通信使用IP協(xié)議。Ethernet Powerlink通過兩個機制來實現(xiàn)這個目標：實時和非實時(異步)信息可同時傳輸汤功；透明地在異步時間槽發(fā)送和接收IP協(xié)議信息(如圖5)物邑。
Ethernet Powerlink接口函數(shù)API和標準以太網(wǎng)驅(qū)動函數(shù)完全兼容。在應用層上吟芜，基于IP的協(xié)議或軟件都可不加改動就直接使用耻覆。在通信實時性不重要時，如程序下載、系統(tǒng)編程診斷或參數(shù)配置過程中营慷，用Ethernet Powerlink的開放模式可使所有站點作為普通以太網(wǎng)站點的模式來使用(非實時模式)慢荧。在這個模式下EPL站點對普通以太網(wǎng)來說完全透明。
4. Ethernet Powerlink 的實際應用與標準化進程
Ethernet Powerlink投入實際應用3年以來朽慕，用戶反應良好松奖，在世界范圍內(nèi)已有兩萬個以上的節(jié)點投入使用，并以極高速度擴大市場占有率谬堕。它證明以太網(wǎng)可滿足控制系統(tǒng)對實時性最苛刻的要求计员。從三軸同步的全電子注塑機(通信周期400?s，抖動<1?s)沈论，到25軸無軸印刷機(通信周期800?s假仙，抖動<1?s)，乃至50軸加50個IO站點的大型包裝機械(通信周期2.4ms簿煌，抖動<1ms)氮唯，它的性能都已在現(xiàn)場中得到了考驗。
當然姨伟，一個新的通信標準是否能被廣大用戶接受惩琉，除技術優(yōu)勢外，這個標準的普及程度是最關鍵的因素夺荒。為加快EPL標準的普及瞒渠，貝加萊開發(fā)EPL標準后隨即公開了這個技術，并委托中立機構(gòu)(蘇黎世工科學院)來管理此項標準技扼。此后伍玖，歐洲幾個知名工控企業(yè)如Lenze、Kuka Roboter剿吻、Hirschmann也加入到這個行列中來窍箍，成立了Ethernet Powerlink標準化協(xié)會EPSG，目的是共同開發(fā)有關硬軟件產(chǎn)品丽旅，使Ethernet Powerlink盡快在工控行業(yè)中得到普及椰棘。至今全世界已有30多家知名工控企業(yè)，其中包括終端用戶參加EPSG協(xié)會榄笙，共同參與Ethernet Powerlink標準的改進丰倾，并同時開發(fā)、生產(chǎn)有關硬軟件產(chǎn)品晶聂。 這使得此標準獨立于任何公司颖怕，成為一個世界性的、開放的工業(yè)以太網(wǎng)標準译拿。
同時，EPSG正與IEEE標準化組織商討關于使Ethernet Powerlink成為IEEE新一代工業(yè)以太網(wǎng)標準的一部分请癣，使其成為真正的國際標準薛对。
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