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真正的实时工业以太网技术Ethernet Powerlink

发表于:2019-07-12 10:53 作者:新闻小编 来源:新闻小编

  曾几何时,现场总线方案给自动化行业带了辉煌的发展,然而随着工业自动化的发展,目前的现场总线方案已经不能完全适应市场的需求,未来对于自动化的解决方案有了新的要求:

  速度相比现场总线有大幅度的提高;

  由于任务越来越多,越来越复杂,要求网络能够承载大量的数据交换;

  对不可测事件的反应时间的要求提高了;

  最大限度的使用标准的,可靠的技术,以降低开发成本。

  于是快速以太网技术进入人们的视野,它以至少10倍于现有现场总线的速度(100mbps)完全满足了未来工业网络对于速度的要求,并且技术成熟可靠。然而快速以太网csma/cd的工作原理决定了它不是一个实时的网络,这对于未来的工业自动化控制是不可接受的。

  奥地利贝加莱(br)公司在这方面做出了贡献,她以快速以太网为基础,开发出了真正的实时工业以太网ethernet powerlink。贝加莱2001年首次向公众介绍ethernet powerlink,同年11月epsg(ethernet powerlink standardization group)联盟成立,2003年6月epsg协会成立并和cia(can in automation)开展合作,同年11月由epsg介绍ethernet powerlink v2。到目前为止,有超过150,000个节点投入使用,超过300个支持者、供应商和终端用户。

ethernet powerlink技术特点

  单个网段最多连接240个实时站点;

  真正的确定性通讯:

  (1)达到iaona实时等级4级(最高等级);

  (2)快速100mbps,最小循环周期200s;

  (3)网络站点之间精确同步,抖动(定义参照图1)小于1s;

  标准化

  (1)底层技术采用ieee802.3u,快速以太网;

  (2)支持ip协议(tcp,udp);

  (3)集成canopen行规en50325-4,实现设备的互操作性;

  (4)基于标准的以太网芯片,不需要特别的asics;

  直接点到点通讯;

  支持热插拔;

  支持多cpu解决方案,优化负载,使之大体平衡,图2为负载平衡示意图。

ethernet powerlink技术原理

  ethernet powerlink(简称epl)是一种高速实时以太网,它基于标准以太网硬件,甚至可以是标准以太网卡,通讯速度为100mbps,通讯距离为100m,通过光纤技术可延长到数十公里。图3为epl参考模型。

  ethernet powerlink物理层,mac层遵循ieee802.3u,100base-tx,图4为ethernet powerlink帧在以太网的数据域里传输示意图,附表ethernet powerlink帧描述。

  ethernet powerlink数据链路层(epl datalink layer)epl数据链路层以标准的以太网csma/cd技术(ieee802.3)为基础,但是csma/cd的工作原理决定了它不能实现通讯的确定性,于是epl引入scnm(slot communication network management)机制,实现了数据通讯的确定性。图5为scnm概念图。

  scnm给同步数据和异步数据分配时槽,保证了在同一时间只有一个设备可以占用网络媒介,从而彻底杜绝了网络冲突的发生。scnm由epl网络中的管理节点mn(managing node)来管理,其他的节点称为控制节点cn(controlled node)。

  scnm规定在一个epl网络中只有一个激活的mn,mn配置网络中所有可用的节点。只有mn可以独立地发送数据,cn只有在得到mn允许的情况下发送数据。

  scnm协议按照一定的规则预先计划并组织了消息组,一个消息组设为一个epl循环(见图6)。在每个循环中可以分为同步阶段和异步阶段,同步阶段每个同步节点占有固定间隔的时槽,由mn轮流访问,从而实现通讯的确定性。异步阶段发送非实时数据,数据传送由mn调度。

  epl循环可以分为4个阶段:开始阶段,同步阶段,异步阶段和空闲阶段。每个阶段的时间由mn预先配置,长度可以不同。mn随时监控循环时间,以保证预设的时间不发生冲突。一旦冲突发生,mn自动延续到下一个循环的开始位置。图7为循环时间冲突时mn的处理方式。

  开始阶段

  mn广播发送start-of-cyclic(soc)帧开始通讯周期。它的发送接收时间作为所有站点时序的基础。只有soc帧由时间控制,其他帧由事件控制。

  同步阶段

  mn发送soc帧后开始同步数据交换。mn发送指定地址的单向请求帧pollrequest给cn,目标cn广播发送响应帧pollresponse给其他所有的节点,允许其他所有的节点监控该帧。pollrequest和pollresponse都可以传输应用数据。mn循环访问完同步节点后,mn广播发送响应帧pollresponse。

  异步阶段

  mn发送soa(start-of-asynchronous)帧表示异步阶段的开始,soa帧用来标记非激活的cns,给要发送异步数据的cn令牌,以及给cn发送异步数据的权限。

  异步数据的发送由mn进行调度,如果cn要发送异步数据,它在poll response帧或statusresponse帧中通知mn。mn的异步数据调度器会决定在哪个循环可以发送异步帧。这决定了发送请求不会被无限期地拖延,即使在网络负载很高的情况下。

  空闲阶段

  空闲阶段是异步阶段结束和下一个循环开始之间的时间间隔,在这个阶段,所有的网络组件等待下一个循环的开始。

  active节点的识别mn配置有网络中所有节点的列表。mn启动的时候,所有的cns被标记为inactive,然后这些cns被identrequest帧(特别的soa帧)周期访问。当cn接收到标有自己地址的ident request帧时,它在同一个异步周期中返回响应帧identresponse。当mn接收到cn来的响应帧identresponse时,该cn被标记为active。

  ethernet powerlink应用层

  epsg组织和cia(can in automation)合作,把canopen的en50325-4规约移植到epl中来。每一种符合epl标准的设备都由一个统一的设备模型来描述。设备模型的核心部分是通过对象字典(object dictionary)对设备功能进行描述。对象字典分为两部分,第一部分包括基本的设备信息,例如设备id,制造商,通信参数等等。第二部分描述了特殊的设备功能。一个16位的索引和一个8位的子索引唯一确定了对象字典的入口。通过对象字典的入口可以对设备的应用对象进行基本网络访问,设备的应用对象可以是输入输出信号,设备参数,设备功能和网络变量等。图8为epl应用层设备模型。

  高同步精度数据通过过程数据对象pdo(process data object)进行数据交换。网络中每个站点都可以读取pdo,并对它进行处理。pdo最大长度1490字节,最多可以有254个pdo对象。

  参数下载,诊断数据等非关键数据可以放在服务数据对象(sdo)中传输,非同步段的sdo的传输遵循客户端/服务器模式。网络中任何一个epl站点都可以通过对象字典(object dictionary)访问另一个站点的sdo,数据量的大小没有限制。同时sdo协议允许标准ip帧通过udp/ip通道访问。这就使得外面的系统通过epl路由可以直接访问该设备的对象字典(od)。

结语

  ethernet powerlink未来的发展方向为安全性和快速性。现场总线的安全性都朝着智能化的方向发展,epl也不例外。epsg正在制定ethernet powerlink safety协议规范,有望在近期推出。epl safety以epl为基础,着重强调整体安全的概念,主要特点为系统的离散性、灵活性、快速性和开放性。

  目前已经发展到了千兆以太网,由于ethernet powerlink和以太网有着很好的继承性,可以预见在不久的将来,千兆工业以太网ethernet powerlink会出现在实际的工业应用现场。

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