基于Ethernet Powerlink標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方案和現(xiàn)場(chǎng)分析

近十年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，以太網(wǎng)成為商業(yè)通信中的主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。以太網(wǎng)的通信速率要比目前任何工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線高很多，因它是IT界標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，成千上萬的公司參與開發(fā)生產(chǎn)有關(guān)產(chǎn)品，使其成本低廉，可選擇范圍十分廣闊。因此，人們期望以太網(wǎng)也能應(yīng)用到工控領(lǐng)域中，憑著它的低成本、極高的通信速率、全球普及的標(biāo)準(zhǔn)，逐漸取代現(xiàn)有工控行業(yè)中繁多的總線系統(tǒng)，用以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)從管理層到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層的貫穿一致性通信。

工控領(lǐng)域和IT界對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有著截然不同的需求，要想有效地應(yīng)用以太網(wǎng)，必須使其符合工業(yè)環(huán)境的特殊需求。本文以實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) Ethernet Powerlink為例，介紹工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方案和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況。

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)局限性

目前，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)可達(dá)到100Mb/s甚至1000Mb/s的傳輸速度，遠(yuǎn)快于任何現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。但對(duì)于工業(yè)控制來說，比傳輸速率更重要的是實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要標(biāo)志是時(shí)間的確定性，通信時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間不是隨機(jī)的，而是可事先準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的。

以太網(wǎng)雖有很高傳輸速率卻不能保證實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備間的實(shí)時(shí)通信。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3的通信機(jī)制使數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間可被任意推遲，也就談不上實(shí)時(shí)性。而在工控領(lǐng)域中，特別是在對(duì)高動(dòng)態(tài)過程的控制中，實(shí)時(shí)性卻必不可少。

普通以太網(wǎng)產(chǎn)生這種通信時(shí)間不確定性的原因，是它對(duì)物理介質(zhì)的訪問機(jī)制CSMA/CD。CSMA/CD是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3的核心，如在盡量不改變現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)前提下想在工控領(lǐng)域中充分利用以太網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)，就須找到一種方法保證以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間確定性，使其實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。

1. 工業(yè)控制對(duì)實(shí)時(shí)性的要求

（1）實(shí)時(shí)性

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)可定義為系統(tǒng)對(duì)某事件響應(yīng)時(shí)間的可預(yù)測(cè)性。一個(gè)事件發(fā)生后，系統(tǒng)須在一個(gè)可準(zhǔn)確預(yù)見的時(shí)間范圍內(nèi)作出反應(yīng)。至于反應(yīng)時(shí)間須有多快，由被控制過程決定?；峄^程控制有秒級(jí)別的反應(yīng)時(shí)間就足夠，而在高動(dòng)態(tài)傳動(dòng)控制中系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間必須達(dá)到微秒級(jí)。

另外，還可把工控中的實(shí)時(shí)性分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)兩種不同類別（它們之間沒有明顯界線）。硬實(shí)時(shí)：控制中系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求如達(dá)不到將導(dǎo)致致命后果（如汽車ABS、飛機(jī)、工具機(jī)床等）。軟實(shí)時(shí)：系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間如達(dá)不到要求僅影響系統(tǒng)控制質(zhì)量，而不會(huì)造成嚴(yán)重后果（如樓宇系統(tǒng)、電梯、倉(cāng)庫(kù)管理等）。

（2）抖動(dòng)（Jitter）

所謂抖動(dòng)，是指同樣過程每次完成或響應(yīng)時(shí)間上的偏差，也就是時(shí)間精確度。抖動(dòng)大小對(duì)一些過程控制如運(yùn)動(dòng)控制和一些高精確度閉環(huán)控制非常關(guān)鍵。以無軸印刷機(jī)為例：設(shè)印刷速度為25m/s，也就是說每40mm/μs 。軸間通信如大于40μs抖動(dòng)，就會(huì)有1mm以上的偏差，印刷質(zhì)量肯定不能滿足要求，如圖1。

（3）通信周期時(shí)間

控制系統(tǒng)中的程序以周期性循環(huán)的方式運(yùn)行，一個(gè)周期內(nèi)所有輸入被刷新，完成計(jì)算任務(wù)后再被寫入輸出中，周期時(shí)間長(zhǎng)短由控制對(duì)象決定。高動(dòng)態(tài)傳動(dòng)控制周期往往要達(dá)到毫秒級(jí)。

系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換速度應(yīng)和系統(tǒng)運(yùn)算周期時(shí)間相對(duì)應(yīng)。在位置控制、電子齒輪、多軸聯(lián)動(dòng)的高精確度運(yùn)動(dòng)控制中，刷新時(shí)間越短越好。時(shí)間越短控制精確度越高，能完成的動(dòng)態(tài)性能也更高。多軸聯(lián)動(dòng)中，伺服系統(tǒng)如以400μs的周期進(jìn)行位置控制，各軸間的信息交換當(dāng)然也是以400μs周期為最佳，以達(dá)到軸間最精確的同步。

2. 實(shí)時(shí)級(jí)別劃分

按照不同過程對(duì)實(shí)時(shí)性要求的不同，可把實(shí)時(shí)性能劃分為4個(gè)級(jí)別（如圖2）。其中實(shí)時(shí)級(jí)別4是工控中對(duì)實(shí)時(shí)性能要求最苛刻的，主要是機(jī)械傳動(dòng)和運(yùn)動(dòng)控制中對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

針對(duì)這些實(shí)時(shí)要求對(duì)象可選用不同現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，如果工業(yè)以太網(wǎng)要成為全工控領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，就須覆蓋所有這些對(duì)實(shí)時(shí)性能和通信周期的需求，也就是須滿足最苛刻的實(shí)時(shí)要求。

二 解決以太網(wǎng)實(shí)時(shí)局限性的傳統(tǒng)方法

目前，有幾種解決以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間不確定問題的方案，其共同點(diǎn)是：都不改變現(xiàn)有以太網(wǎng)通信機(jī)制，協(xié)議也是直接使用TCP/IP，有很多局限性。代表性方式有：

（1）低沖突概率

如網(wǎng)絡(luò)中沒有太多數(shù)據(jù)，沖突概率會(huì)降低，它隨數(shù)據(jù)通信的增加而呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低于或等于10%時(shí)，可假設(shè)沖突可避免。

這種方法局限性：不能充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，浪費(fèi)帶寬；且不能百分之百保證沖突不會(huì)發(fā)生。

（2）在沖突域利用網(wǎng)絡(luò)交換器分段

如圖3，利用網(wǎng)絡(luò)交換器分段是一種完全不同的方案，能完全避免沖突發(fā)生。其原理是把可能發(fā)生沖突的網(wǎng)域用網(wǎng)絡(luò)交換器隔開。它有些類似于一組點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。

這種方式局限性：數(shù)據(jù)通信被網(wǎng)絡(luò)交換器的分配和緩沖過程所帶來的延遲時(shí)間所影響，傳輸時(shí)間特性受制于網(wǎng)絡(luò)交換器的配置而會(huì)有一些偏差。在高動(dòng)態(tài)傳動(dòng)控制中，這種偏差是不允許的；且設(shè)置網(wǎng)絡(luò)交換器需工作人員對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)十分了解；此外，其成本也相對(duì)高。

（3）IEEE 1588對(duì)時(shí)機(jī)制

該方法能較好克服以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性不足。主要原理是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有站點(diǎn)進(jìn)行對(duì)時(shí)同步。由一個(gè)同步信號(hào)周期性地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有站點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步。站點(diǎn)發(fā)送的每一幀數(shù)據(jù)都自帶一個(gè)時(shí)間標(biāo)志，告訴接收方必須執(zhí)行任務(wù)的確切時(shí)間。根據(jù)時(shí)間精確度要求高低，可使用軟件時(shí)鐘或硬件系統(tǒng)時(shí)鐘。如精確度要求很高，還要在網(wǎng)絡(luò)中附加一個(gè)硬件裝置來測(cè)量信號(hào)通信本身所需時(shí)間。

此方法優(yōu)點(diǎn)：可達(dá)到很高傳輸時(shí)間確定性，也就是實(shí)時(shí)性；可直接使用TCP/IP協(xié)議。局限性是：所有站點(diǎn)須自帶時(shí)鐘，成本較高。目前還沒有測(cè)量信號(hào)通信本身需時(shí)間的硬件裝置來滿足更高精確度要求。最大問題是，這種通信機(jī)制給系統(tǒng)編程帶來很大影響，因控制任務(wù)須通過時(shí)間觸發(fā)方式啟動(dòng)，提高了編程難度，且不符合工控工程人員編程習(xí)慣。

三 真正實(shí)時(shí)以太網(wǎng)——Ethernet Powerlink

奧地利貝加萊（B&R）公司開發(fā)的 Ethernet Powerlink（EPL）標(biāo)準(zhǔn)是一種可滿足最苛刻實(shí)時(shí)要求（4級(jí)）、并已投入實(shí)際應(yīng)用的工業(yè)以太網(wǎng)。該公司當(dāng)初開發(fā)Ethernet Powerlink的思路是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上建立一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)來滿足控制中最苛刻的實(shí)時(shí)要求，同時(shí)克服以上介紹的傳統(tǒng)解決方案的局限性。

Ethernet Powelink主要技術(shù)指標(biāo)：用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3u（Fast Ether-net）作為傳輸媒介；傳輸速率100Mb/s；使用標(biāo)準(zhǔn)Hub和標(biāo)準(zhǔn)接線；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸周期最小達(dá)200μs；抖動(dòng)小于1μs；可同時(shí)傳輸實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；可同時(shí)傳輸IP協(xié)議；使用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備。

1. 工作原理——時(shí)間槽通信管理機(jī)制

為避免沖突、盡量利用帶寬，EPL在時(shí)間上重新組織了網(wǎng)絡(luò)中站間信息交換機(jī)制，在CSMA基礎(chǔ)上引入時(shí)間槽管理機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)其中一個(gè)站點(diǎn)充當(dāng)管理站管理網(wǎng)絡(luò)通信，對(duì)其他所有站點(diǎn)給定同步節(jié)拍，分別分配各站發(fā)布權(quán)限，各站只能在得到發(fā)布權(quán)限后才可發(fā)布信息。

一個(gè)EPL通信周期可分成4個(gè)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(hào)，信號(hào)以廣播方式發(fā)給所有站點(diǎn)。此信號(hào)發(fā)出后，各站點(diǎn)就此同步。

（2）同步階段：這階段中所有站點(diǎn)進(jìn)行同步信息交換，管理站按照一個(gè)事先定義的順序給某站發(fā)一個(gè)PRq幀，要求此站發(fā)布信息。此站得到發(fā)布許可后，以廣播形式發(fā)出一幀PRs回應(yīng)信息，所有站點(diǎn)都可收到這幀信息，也包括那些應(yīng)該得到這幀信息的站點(diǎn)。站點(diǎn)間直接橫向通信方式和CAN總線很相似。

（3）異步階段：這個(gè)階段是給無實(shí)時(shí)要求的信息留下的，管理站發(fā)給某站一個(gè)“邀請(qǐng)”幀，此站便可發(fā)布非同步信息，比如一幀IP信息。

（4）閑置階段：到下一個(gè)周期前的等待時(shí)間。

2. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過使用Hub可實(shí)現(xiàn)任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)橥瑫r(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中只有一站可發(fā)送信息，不會(huì)發(fā)生沖突，所以Hub使用數(shù)量不受限制。系統(tǒng)可使用雙端口Hub，實(shí)現(xiàn)單線形串連式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。EPL網(wǎng)絡(luò)不建議使用網(wǎng)絡(luò)交換器，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致更高系統(tǒng)延遲和抖動(dòng)。外界標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（如局域網(wǎng)）可直接通過一個(gè)網(wǎng)關(guān)用IP協(xié)議訪問EPL網(wǎng)絡(luò)。

Ethernet Powerlink V2的應(yīng)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(jī)制為基礎(chǔ)的。這樣，EPL可直接使用已在CANopen中定義的大量設(shè)備元器件特征，實(shí)現(xiàn)了CANopen和EPL網(wǎng)絡(luò)通信的一貫性，也簡(jiǎn)化了從CANopen到Ether-netPowerlink的軟件層過渡。

3. Ethernet Powerlink和TCP/IP的兼容性

在工控領(lǐng)域使用以太網(wǎng)的一個(gè)重要目的是實(shí)現(xiàn)貫穿管理層到現(xiàn)場(chǎng)層乃至傳感器、執(zhí)行器層的通信。各個(gè)層之間沒有位置或系統(tǒng)所造成的界線，通信使用IP協(xié)議。Ethernet Powerlink通過兩個(gè)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)：實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)（異步）信息可同時(shí)傳輸；透明地在異步時(shí)間槽發(fā)送和接收IP協(xié)議信息（如圖5）。

Ethernet Powerlink接口函數(shù)API和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)完全兼容。在應(yīng)用層上，基于IP的協(xié)議或軟件都可不加改動(dòng)就直接使用。在通信實(shí)時(shí)性不重要時(shí)，如程序下載、系統(tǒng)編程診斷或參數(shù)配置過程中，用Ethernet Powerlink的開放模式可使所有站點(diǎn)作為普通以太網(wǎng)站點(diǎn)的模式來使用（非實(shí)時(shí)模式）。在這個(gè)模式下EPL站點(diǎn)對(duì)普通以太網(wǎng)來說完全透明。

4. Ethernet Powerlink 的實(shí)際應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

Ethernet Powerlink投入實(shí)際應(yīng)用3年以來，用戶反應(yīng)良好，在世界范圍內(nèi)已有兩萬個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)投入使用，并以極高速度擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。它證明以太網(wǎng)可滿足控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性最苛刻的要求。從三軸同步的全電子注塑機(jī)（通信周期400μs，抖動(dòng)《1μs），到25軸無軸印刷機(jī)（通信周期800μs，抖動(dòng)《1μs），乃至50軸加50個(gè)IO站點(diǎn)的大型包裝機(jī)械（通信周期2.4ms，抖動(dòng)《1ms），它的性能都已在現(xiàn)場(chǎng)中得到了考驗(yàn)。

當(dāng)然，一個(gè)新的通信標(biāo)準(zhǔn)是否能被廣大用戶接受，除技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的普及程度是最關(guān)鍵的因素。為加快EPL標(biāo)準(zhǔn)的普及，貝加萊開發(fā)EPL標(biāo)準(zhǔn)后隨即公開了這個(gè)技術(shù)，并委托中立機(jī)構(gòu)（蘇黎世工科學(xué)院）來管理此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。此后，歐洲幾個(gè)知名工控企業(yè)如Lenze、Kuka Roboter、Hirschmann也加入到這個(gè)行列中來，成立了Ethernet Powerlink標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)EPSG，目的是共同開發(fā)有關(guān)硬軟件產(chǎn)品，使Ethernet Powerlink盡快在工控行業(yè)中得到普及。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(huì)，共同參與Ethernet Powerlink標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)，并同時(shí)開發(fā)、生產(chǎn)有關(guān)硬軟件產(chǎn)品。 這使得此標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立于任何公司，成為一個(gè)世界性的、開放的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)，EPSG正與IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織商討關(guān)于使Ethernet Powerlink成為IEEE新一代工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一部分，使其成為真正的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

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