實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Powerlink技術(shù)的研究

在過去的二十年，追隨龐大的現(xiàn)場總線系統(tǒng)變得愈發(fā)困難，太多特定用于工廠生產(chǎn)過程目的的總線被開發(fā)出來，然而，不同系統(tǒng)的局限性仍然阻礙了性能的發(fā)揮，新的需求更多的在于強(qiáng)調(diào)通信系統(tǒng)的可用性，提供高靈活性和板級的兼容性，一個(gè)新的允許持續(xù)改善和性能升級的方案加入了這個(gè)隊(duì)伍。

以太網(wǎng)快速應(yīng)對這種挑戰(zhàn)，它已經(jīng)被證實(shí)和應(yīng)用且廣泛標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)，而且它是一個(gè)免專利費(fèi)的技術(shù)，此外，他還是一個(gè)具有保持一致性潛力的集成或通信方案。例如，它允許在過程和現(xiàn)場級的互聯(lián)，然而，融洽了Internet協(xié)議和TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)并不適合硬件實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。SMA/CD（載波偵聽多路訪問沖突、沖突檢測）機(jī)制導(dǎo)致了數(shù)據(jù)不可預(yù)知的堵塞。作為EthemetlEEE802.3的一部分，這個(gè)機(jī)制有助于消除總線上由于以太網(wǎng)傳輸先天性所決定的數(shù)據(jù)沖突。

一個(gè)網(wǎng)絡(luò)面向所有系統(tǒng)

什么是“一個(gè)網(wǎng)絡(luò)面向所有系統(tǒng)”的含義？POWERLINK是一個(gè)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)方案，設(shè)計(jì)能夠給用戶一個(gè)獨(dú)立的，一致的并且集成用以處理各種現(xiàn)代自動(dòng)化中通信任務(wù)的方法。它適合所有可以想象的應(yīng)用；機(jī)器制造和工廠工程，同時(shí)也可以在過程控制中應(yīng)用，POWERLINK網(wǎng)絡(luò)集成所有工業(yè)自動(dòng)化組件，如PLC，傳感器、I/O模塊、運(yùn)動(dòng)控制、安全控制、安全傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)積極HMI系統(tǒng)。

一個(gè)POWERLINK循環(huán)不僅能夠提供有效實(shí)時(shí)載荷，并且可以在異步階段傳輸異步數(shù)據(jù)，同事，一個(gè)固定時(shí)隙用以傳輸多種用戶數(shù)據(jù)，那些對時(shí)間要求不高的數(shù)據(jù)也可以被傳輸，如用于節(jié)點(diǎn)監(jiān)控和訪問控制的視頻。此外，相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)也允許非POWERLINK總線的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在一個(gè)異步循環(huán)里進(jìn)行傳輸，也就是說，該協(xié)議可以集成不同的網(wǎng)絡(luò)。

構(gòu)架

由于其高寬帶、極短的循環(huán)時(shí)間以及協(xié)議的靈活性等性能特點(diǎn)，POWERLINK既適合集中式有適合于分布自動(dòng)化概念，機(jī)器和工廠設(shè)計(jì)為分布式架構(gòu)基于用戶改裝和擴(kuò)展非常大的靈活性，但是需要一個(gè)通信系統(tǒng)非常良好的滿足這一架構(gòu)，POWERLINK是一個(gè)顯然適應(yīng)這種需求的技術(shù)，因?yàn)樗己玫乩^承了Ethernet標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)非常關(guān)鍵的特性使它可以用于分布式環(huán)境，即交叉通信和信任的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 POWERLINK網(wǎng)絡(luò)集成的工業(yè)自動(dòng)化組件

交叉通信使得在各個(gè)組件間的通信無需通過主站，所有的設(shè)備可以以廣播形式直接發(fā)送數(shù)據(jù)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，所有其它節(jié)點(diǎn)可以接受這些數(shù)據(jù)。

自由的拓?fù)鋵τ谀K化系統(tǒng)的擴(kuò)展是非常必要的，之前采用固定拓?fù)鋾r(shí)，機(jī)器升級、工廠擴(kuò)容和持續(xù)的新設(shè)備添加要么幾乎不可能，要么支付高昂的費(fèi)用。不僅有卓越的可量測性，POWERLINK使得在系統(tǒng)擴(kuò)展的同時(shí)卻絲毫不影響其實(shí)時(shí)能力等級。

POWERLINK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Ethemet的，同樣也是POWERLINK非常重要的一個(gè)特性是，用戶可以100%自由的選擇任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)可以是星形、樹形、菊花鏈或者環(huán)形結(jié)構(gòu)，以及任意的這些拓補(bǔ)的組合，而無需配置，在應(yīng)用層和物理層也沒有相互依賴的邏輯連接，網(wǎng)絡(luò)的改變包括動(dòng)態(tài)調(diào)整可以在任意時(shí)刻以任意方式進(jìn)行，而不會削弱應(yīng)用。

POWERLINK循環(huán)的同步階段應(yīng)用于時(shí)間要求高的有效數(shù)據(jù)傳輸，之后是異步階段，它使用整個(gè)循環(huán)的剩余時(shí)間，在這個(gè)階段，比較大的數(shù)據(jù)包，時(shí)間不緊迫的數(shù)據(jù)包可以以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀的方式傳輸。如果一個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)量很大，以致不能在一個(gè)循環(huán)期間內(nèi)完成，網(wǎng)絡(luò)有能力將數(shù)據(jù)分配到幾個(gè)異步階段來完成。路由器或網(wǎng)關(guān)可以被用來將異步數(shù)據(jù)從POWERLINK網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)域分割出來，而且，這些數(shù)據(jù)可以向兩個(gè)方向流動(dòng)，因此也可以從外部對實(shí)時(shí)域的設(shè)備進(jìn)行訪問和配置。任何數(shù)據(jù)如，SDO-用于設(shè)備配置和診斷，應(yīng)用數(shù)據(jù)如監(jiān)控?cái)z像頭，協(xié)議如TCP/IP設(shè)備配置或者從WEB瀏覽器來的維護(hù)數(shù)據(jù)都可以在異步階段傳輸。這也是一種連接那些沒有實(shí)時(shí)要求的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的方法，同時(shí)這意味著可以在網(wǎng)絡(luò)中集成其他總線的組件和設(shè)備，此時(shí)，非POWERLINK的設(shè)備與POWERLINK節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)連接，非POWERLINK總線數(shù)據(jù)在異步階段發(fā)送。這種數(shù)據(jù)傳輸模式對于熱插播至關(guān)重要，新添設(shè)備或者替換標(biāo)識時(shí)，它們自己通過在異步階段向管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送他們的設(shè)備數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。

圖2 環(huán)形冗余

POWERLINK類型

（1）環(huán)形冗余

經(jīng)典的環(huán)形冗余是一個(gè)簡單且非常經(jīng)濟(jì)的機(jī)器工程應(yīng)用選擇，節(jié)點(diǎn)以環(huán)形連接，遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)線路中心的外部終端也被連接到控制器（對于這種設(shè)計(jì)，一根額外的數(shù)據(jù)電纜足夠滿足將一個(gè)菊花鏈接轉(zhuǎn)為環(huán)形，控制器提供兩個(gè)接口支持冗余操作），當(dāng)一個(gè)線路失效被檢測到后，系統(tǒng)在一個(gè)循環(huán)周期里從失效單元切換到冗余單元，這種類型的冗余典型的應(yīng)用于暴露在外的機(jī)械惡劣的環(huán)境。

（2）主站冗余

主站冗余是指主站（即管理節(jié)點(diǎn)）冗余。這對于高可用系統(tǒng)而言扮演非常重要的角色，用于過程控制如能源系統(tǒng)，主站冗余是基于在最高網(wǎng)絡(luò)層級采用兩個(gè)或更多的管理節(jié)點(diǎn)。只有一個(gè)動(dòng)態(tài)管理節(jié)點(diǎn)（AMN），其他都是熱備或者扮演受控節(jié)點(diǎn)的角色。當(dāng)然，這是從管理節(jié)點(diǎn)視野看。熱備的MN和CN的唯一區(qū)別就是MN持續(xù)監(jiān)控所有網(wǎng)絡(luò)和CN功能，這能確保在緊急情況下，在任何時(shí)間接管AMN而無需重啟系統(tǒng)。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.010