1.      引言

　　曾幾何時(shí)，現場(chǎng)總線(xiàn)方案給自動(dòng)化行業(yè)帶了輝煌的發(fā)展，然而隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，目前的現場(chǎng)總線(xiàn)方案已經(jīng)不能完全適應市場(chǎng)的需求，未來(lái)對于自動(dòng)化的解決方案有了新的要求：

　　n    速度相比現場(chǎng)總線(xiàn)有大幅度的提高；

　　n    由于任務(wù)越來(lái)越多，越來(lái)越復雜，要求網(wǎng)絡(luò )能夠承載大量的數據交換；

　　n    對不可測事件的反應時(shí)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(kāi)發(fā)成本。

　　于是快速以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入人們的視野，它以至少10倍于現有現場(chǎng)總線(xiàn)的速度（100Mbps）完全滿(mǎn)足了未來(lái)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(gè)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò )，這對于未來(lái)的工業(yè)自動(dòng)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，開(kāi)發(fā)出了真正的實(shí)時(shí)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(huì )成立并和CiA（CAN in Automation）開(kāi)展合作，同年11月由EPSG介紹Ethernet POWERLINK V2。到目前為止，有超過(guò)150,000個(gè)節點(diǎn)投入使用，超過(guò)300個(gè)支持者、供應商和終端用戶(hù)。

　　2.      Ethernet POWERLINK技術(shù)特點(diǎn)

　　n    單個(gè)網(wǎng)段最多連接240個(gè)實(shí)時(shí)站點(diǎn)；

　　n    真正的確定性通訊

    達到IAONA實(shí)時(shí)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(diǎn)之間精確同步，抖動(dòng)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EN50325-4，實(shí)現設備的互操作性；

    基于標準的以太網(wǎng)芯片，不需要特別的ASICs；

　　n    直接點(diǎn)到點(diǎn)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

　　-拓撲結構靈活，支持總線(xiàn)型，星型，樹(shù)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數據鏈路層（EPL Datalink Layer）

　　EPL數據鏈路層以標準的以太網(wǎng)CSMA/CD技術(shù)（IEEE802.3）為基礎，但是CSMA/CD的工作原理決定了它不能實(shí)現通訊的確定性，于是EPL引入SCNM（Slot Communication Network Management）機制，實(shí)現了數據通訊的確定性。

　　SCNM給同步數據和異步數據分配時(shí)槽，保證了在同一時(shí)間只有一個(gè)設備可以占用網(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 )中的管理節點(diǎn)MN（Managing Node）來(lái)管理，其他的節點(diǎn)稱(chēng)為控制節點(diǎn)CN（Controlled Node）。

　　SCNM規定在一個(gè)EPL網(wǎng)絡(luò )中只有一個(gè)激活的MN，MN配置網(wǎng)絡(luò )中所有可用的節點(diǎn)。只有MN可以獨立地發(fā)送數據，CN只有在得到MN允許的情況下發(fā)送數據。  　　SCNM協(xié)議按照一定的規則預先計劃并組織了消息組，一個(gè)消息組設為一個(gè)EPL循環(huán)（見(jiàn)圖2）。在每個(gè)循環(huán)中可以分為同步階段和異步階段，同步階段每個(gè)同步節點(diǎn)占有固定間隔的時(shí)槽，由MN輪流訪(fǎng)問(wèn)，從而實(shí)現通訊的確定性。異步階段發(fā)送非實(shí)時(shí)數據，數據傳送由MN調度。

　　EPL循環(huán)可以分為4個(gè)階段：開(kāi)始階段，同步階段，異步階段和空閑階段。每個(gè)階段的時(shí)間由MN預先配置，長(cháng)度可以不同。MN隨時(shí)監控循環(huán)時(shí)間，以保證預設的時(shí)間不發(fā)生沖突。一旦沖突發(fā)生，MN自動(dòng)延續到下一個(gè)循環(huán)的開(kāi)始位置。

　　開(kāi)始[階段：

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

　　同步階段：

　　MN發(fā)送SoC幀后開(kāi)始同步數據交換。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給其他所有的節點(diǎn)，允許其他所有的節點(diǎn)監控該幀。PollRequest和PollResponse都可以傳輸應用數據。MN循環(huán)訪(fǎng)問(wèn)完同步節點(diǎn)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(kāi)始，SoA幀用來(lái)標記非激活的CNs，給要發(fā)送異步數據的CN令牌，以及給CN發(fā)送異步數據的權限。

　　異步數據的發(fā)送由MN進(jìn)行調度，如果CN要發(fā)送異步數據，它在PollResponse幀或StatusResponse幀中通知MN。MN的異步數據調度器會(huì )決定在哪個(gè)循環(huán)可以發(fā)送異步幀。這決定了發(fā)送請求不會(huì )被無(wú)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束和下一個(gè)循環(huán)開(kāi)始之間的時(shí)間間隔，在這個(gè)階段，所有的網(wǎng)絡(luò )組件“等待”下一個(gè)循環(huán)的開(kāi)始。

　　“Active”節點(diǎn)的識別

　　MN配置有網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)的列表。MN啟動(dòng)的時(shí)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(fǎng)問(wèn)。當CN接收到標有自己地址的IdentRequest幀時(shí)，它在同一個(gè)異步周期中返回響應幀IdentResponse。當MN接收到CN來(lái)的響應幀IdentResponse時(shí)，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規約移植到EPL中來(lái)。每一種符合EPL標準的設備都由一個(gè)統一的設備模型來(lái)描述。設備模型的核心部分是通過(guò)對象字典（Object Dictionary）對設備功能進(jìn)行描述。對象字典分為兩部分，第一部分包括基本的設備信息，例如設備ID，制造商，通信參數等等。第二部分描述了特殊的設備功能。一個(gè)16位的索引和一個(gè)8位的子索引唯一確定了對象字典的入口。通過(guò)對象字典的入口可以對設備的"應用對象"進(jìn)行基本網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)，設備的"應用對象"可以是輸入輸出信號，設備參數，設備功能和網(wǎng)絡(luò )變量等。
　　高同步精度數據通過(guò)過(guò)程數據對象PDO（Process Data Object）進(jìn)行數據交換。網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)站點(diǎn)都可以讀取PDO，并對它進(jìn)行處理。PDO最大長(cháng)度1490字節，最多可以有254個(gè)PDO對象。

　　參數下載，診斷數據等非關(guān)鍵數據可以放在服務(wù)數據對象（SDO）中傳輸，非同步段的SDO的傳輸遵循客戶(hù)端/服務(wù)器模式。網(wǎng)絡(luò )中任何一個(gè)EPL站點(diǎn)都可以通過(guò)對象字典（Object Dictionary）訪(fǎng)問(wèn)另一個(gè)站點(diǎn)的SDO，數據量的大小沒(méi)有限制。同時(shí)SDO協(xié)議允許標準IP 幀通過(guò)UDP/IP通道訪(fǎng)問(wèn)。這就使得外面的系統通過(guò)EPL路由可以直接訪(fǎng)問(wèn)該設備的對象字典（OD）。

　　4.      未來(lái)展望

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

　　現場(chǎng)總線(xiàn)的安全性都朝著(zhù)智能化的方向發(fā)展，EPL也不例外。EPSG正在制定Ethernet POWERLINK Safety協(xié)議規范，有望在近期推出。EPL Safety以EPL為基礎，著(zhù)重強調整體安全的概念，主要特點(diǎn)為系統的離散性、靈活性、快速性和開(kāi)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(zhù)很好的繼承性，可以預見(jiàn)在不久的將來(lái)，千兆工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK會(huì )出現在實(shí)際的工業(yè)應用現場(chǎng)。