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实时的工业以太网Ethernet Powerlink
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近十年来，随着互联网技术飞速发展，以太网成为商业通信中的主导网络技术。以太网的通信速率要比目前任何工业现场总线高很多，因它是IT界标准网络技术，成千上万的公司参与开发生产有关产品，使其成本低廉，可选择范围十分广阔。因此，人们期望以太网也能应用到工控领域中，凭着它的低成本、极高的通信速率、全球普及的标准，逐渐取代现有工控行业中繁多的总线系统，用以太网来实现从管理层到工业现场层的贯穿一致性通信。
工控领域和IT界对网络系统有着截然不同的需求，要想有效地应用以太网，必须使其符合工业环境的特殊需求。本文以实时工业以太网标准 Ethernet Powerlink为例，介绍工业以太网的实现方案和现场实际应用情况。
——作者序
一 标准以太网的实时局限性
目前，标准以太网可达到100Mb/s甚至1000Mb/s的传输速度，远快于任何现场总线系统。但对于工业控制来说，比传输速率更重要的是实时性。实时性的一个重要标志是时间的确定性，通信时数据传输时间不是随机的，而是可事先准确预测的。
以太网虽有很高传输速率却不能保证实现控制设备间的实时通信。标准以太网IEEE802.3的通信机制使数据传输时间可被任意推迟，也就谈不上实时性。而在工控领域中，特别是在对高动态过程的控制中，实时性却必不可少。
普通以太网产生这种通信时间不确定性的原因，是它对物理介质的访问机制CSMA/CD。CSMA/CD是以太网标准IEEE802.3的核心，如在尽量不改变现有标准前提下想在工控领域中充分利用以太网优点，就须找到一种方法保证以太网中数据传输时间确定性，使其实现实时通信。
1. 工业控制对实时性的要求
(1)实时性
在工业控制系统中，实时可定义为系统对某事件响应时间的可预测性。一个事件发生后，系统须在一个可准确预见的时间范围内作出反应。至于反应时间须有多快，由被控制过程决定。化工热化过程控制有秒级别的反应时间就足够，而在高动态传动控制中系统反应时间必须达到微秒级。
另外，还可把工控中的实时性分为硬实时和软实时两种不同类别(它们之间没有明显界线)。硬实时：控制中系统响应时间要求如达不到将导致致命后果(如汽车ABS、飞机、工具机床等)。软实时：系统响应时间如达不到要求仅影响系统控制质量，而不会造成严重后果(如楼宇系统、电梯、仓库管理等)。
(2)抖动(Jitter)
所谓抖动，是指同样过程每次完成或响应时间上的偏差，也就是时间精确度。抖动大小对一些过程控制如运动控制和一些高精确度闭环控制非常关键。以无轴印刷机为例：设印刷速度为25m/s，也就是说每40mm/µs 。轴间通信如大于40µs抖动，就会有1mm以上的偏差，印刷质量肯定不能满足要求，如图1。
(3)通信周期时间
控制系统中的程序以周期性循环的方式运行，一个周期内所有输入被刷新，完成计算任务后再被写入输出中，周期时间长短由控制对象决定。高动态传动控制周期往往要达到毫秒级。
系统联网后，网络数据交换速度应和系统运算周期时间相对应。在位置控制、电子齿轮、多轴联动的高精确度运动控制中，刷新时间越短越好。时间越短控制精确度越高，能完成的动态性能也更高。多轴联动中，伺服系统如以400µs的周期进行位置控制，各轴间的信息交换当然也是以400µs周期为最佳，以达到轴间最精确的同步。
2. 实时级别划分
按照不同过程对实时性要求的不同，可把实时性能划分为4个级别(如图2)。其中实时级别4是工控中对实时性能要求最苛刻的，主要是机械传动和运动控制中对实时性的要求。
针对这些实时要求对象可选用不同现场总线系统，如果工业以太网要成为全工控领域的标准，就须覆盖所有这些对实时性能和通信周期的需求，也就是须满足最苛刻的实时要求。
二 解决以太网实时局限性的传统方法
目前，有几种解决以太网数据传输时间不确定问题的方案，其共同点是：都不改变现有以太网通信机制，协议也是直接使用TCP/IP，有很多局限性。代表性方式有：
(1)低冲突概率
如网络中没有太多数据，冲突概率会降低，它随数据通信的增加而呈指数级增长。当网络负载低于或等于10%时，可假设冲突可避免。
这种方法局限性：不能充分利用网络带宽，浪费带宽；且不能百分之百保证冲突不会发生。
(2)在冲突域利用网络交换器分段
如图3，利用网络交换器分段是一种完全不同的方案，能完全避免冲突发生。其原理是把可能发生冲突的网域用网络交换器隔开。它有些类似于一组点对点连接。
这种方式局限性：数据通信被网络交换器的分配和缓冲过程所带来的延迟时间所影响，传输时间特性受制于网络交换器的配置而会有一些偏差。在高动态传动控制中，这种偏差是不允许的；且设置网络交换器需工作人员对网络技术十分了解；此外，其成本也相对高。
(3)IEEE 1588对时机制
该方法能较好克服以太网实时性不足。主要原理是对网络中所有站点进行对时同步。由一个同步信号周期性地对网络中所有站点的时钟进行校正同步。站点发送的每一帧数据都自带一个时间标志，告诉接收方必须执行任务的确切时间。根据时间精确度要求高低，可使用软件时钟或硬件系统时钟。如精确度要求很高，还要在网络中附加一个硬件装置来测量信号通信本身所需时间。
此方法优点：可达到很高传输时间确定性，也就是实时性；可直接使用TCP/IP协议。局限性是：所有站点须自带时钟，成本较高。目前还没有测量信号通信本身需时间的硬件装置来满足更高精确度要求。最大问题是，这种通信机制给系统编程带来很大影响，因控制任务须通过时间触发方式启动，提高了编程难度，且不符合工控工程人员编程习惯。
三 真正实时以太网——Ethernet Powerlink
奥地利贝加莱(B&R)公司开发的 Ethernet Powerlink(EPL)标准是一种可满足最苛刻实时要求(4级)、并已投入实际应用的工业以太网。该公司当初开发Ethernet Powerlink的思路是在标准以太网基础上建立一个现场总线系统来满足控制中最苛刻的实时要求，同时克服以上介绍的传统解决方案的局限性。
Ethernet Powelink主要技术指标：用标准以太网IEEE802.3u(Fast Ether-net)作为传输媒介；传输速率100Mb/s；使用标准Hub和标准接线；实时数据传输周期最小达200µs；抖动小于1µs；可同时传输实时和非实时数据；可同时传输IP协议；使用以太网标准硬件设备。
1. 工作原理——时间槽通信管理机制
为避免冲突、尽量利用带宽，EPL在时间上重新组织了网络中站间信息交换机制，在CSMA基础上引入时间槽管理机制。网络其中一个站点充当管理站管理网络通信，对其他所有站点给定同步节拍，分别分配各站发布权限，各站只能在得到发布权限后才可发布信息。
一个EPL通信周期可分成4个阶段(如图4)：
(1)开始阶段：管理员发布“通信周期开始(SoC)”信号，信号以广播方式发给所有站点。此信号发出后，各站点就此同步。
(2)同步阶段：这阶段中所有站点进行同步信息交换，管理站按照一个事先定义的顺序给某站发一个PRq帧，要求此站发布信息。此站得到发布许可后，以广播形式发出一帧PRs回应信息，所有站点都可收到这帧信息，也包括那些应该得到这帧信息的站点。站点间直接横向通信方式和CAN总线很相似。
(3)异步阶段：这个阶段是给无实时要求的信息留下的，管理站发给某站一个“邀请”帧，此站便可发布非同步信息，比如一帧IP信息。
(4)闲置阶段：到下一个周期前的等待时间。
2. 拓扑结构
通过使用Hub可实现任意网络拓扑结构，因为同时间内网络中只有一站可发送信息，不会发生冲突，所以Hub使用数量不受限制。系统可使用双端口Hub，实现单线形串连式的拓扑结构。EPL网络不建议使用网络交换器，因为它会导致更高系统延迟和抖动。外界标准以太网(如局域网)可直接通过一个网关用IP协议访问EPL网络。
Ethernet Powerlink V2的应用层接口是以CANOpen(CAN in Auto-mation组织定义)中DS301通信规范定义的机制为基础的。这样，EPL可直接使用已在CANopen中定义的大量设备元器件特征，实现了CANopen和EPL网络通信的一贯性，也简化了从CANopen到Ether-netPowerlink的软件层过渡。
3. Ethernet Powerlink和TCP/IP的兼容性
在工控领域使用以太网的一个重要目的是实现贯穿管理层到现场层乃至传感器、执行器层的通信。各个层之间没有位置或系统所造成的界线，通信使用IP协议。Ethernet Powerlink通过两个机制来实现这个目标：实时和非实时(异步)信息可同时传输；透明地在异步时间槽发送和接收IP协议信息(如图5)。
Ethernet Powerlink接口函数API和标准以太网驱动函数完全兼容。在应用层上，基于IP的协议或软件都可不加改动就直接使用。在通信实时性不重要时，如程序下载、系统编程诊断或参数配置过程中，用Ethernet Powerlink的开放模式可使所有站点作为普通以太网站点的模式来使用(非实时模式)。在这个模式下EPL站点对普通以太网来说完全透明。
4. Ethernet Powerlink 的实际应用与标准化进程
Ethernet Powerlink投入实际应用3年以来，用户反应良好，在世界范围内已有两万个以上的节点投入使用，并以极高速度扩大市场占有率。它证明以太网可满足控制系统对实时性最苛刻的要求。从三轴同步的全电子注塑机(通信周期400µs，抖动<1µs)，到25轴无轴印刷机(通信周期800µs，抖动<1µs)，乃至50轴加50个IO站点的大型包装机械(通信周期2.4ms，抖动<1ms)，它的性能都已在现场中得到了考验。
当然，一个新的通信标准是否能被广大用户接受，除技术优势外，这个标准的普及程度是最关键的因素。为加快EPL标准的普及，贝加莱开发EPL标准后随即公开了这个技术，并委托中立机构(苏黎世工科学院)来管理此项标准。此后，欧洲几个知名工控企业如Lenze、Kuka Roboter、Hirschmann也加入到这个行列中来，成立了Ethernet Powerlink标准化协会EPSG，目的是共同开发有关硬软件产品，使Ethernet Powerlink尽快在工控行业中得到普及。至今全世界已有30多家知名工控企业，其中包括终端用户参加EPSG协会，共同参与Ethernet Powerlink标准的改进，并同时开发、生产有关硬软件产品。 这使得此标准独立于任何公司，成为一个世界性的、开放的工业以太网标准。
同时，EPSG正与IEEE标准化组织商讨关于使Ethernet Powerlink成为IEEE新一代工业以太网标准的一部分，使其成为真正的国际标准。
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近十年来，随着互联网技术飞速发展，以太网成为商业通信中的主导网络技术。以太网的通信速率要比目前任何工业现场总线高很多，因它是IT界标准网络技术，成千上万的公司参与开发生产有关产品，使其成本低廉，可选择范围十分广阔。因此，人们期望以太网也能应用到工控领域中，凭着它的低成本、极高的通信速率、全球普及的标准，逐渐取代现有工控行业中繁多的总线系统，用以太网来实现从管理层到工业现场层的贯穿一致性通信。
工控领域和IT界对网络系统有着截然不同的需求，要想有效地应用以太网，必须使其符合工业环境的特殊需求。本文以实时工业以太网标准 Ethernet Powerlink为例，介绍工业以太网的实现方案和现场实际应用情况。
——作者序
一 标准以太网的实时局限性
目前，标准以太网可达到100Mb/s甚至1000Mb/s的传输速度，远快于任何现场总线系统。但对于工业控制来说，比传输速率更重要的是实时性。实时性的一个重要标志是时间的确定性，通信时数据传输时间不是随机的，而是可事先准确预测的。
以太网虽有很高传输速率却不能保证实现控制设备间的实时通信。标准以太网IEEE802.3的通信机制使数据传输时间可被任意推迟，也就谈不上实时性。而在工控领域中，特别是在对高动态过程的控制中，实时性却必不可少。
普通以太网产生这种通信时间不确定性的原因，是它对物理介质的访问机制CSMA/CD。CSMA/CD是以太网标准IEEE802.3的核心，如在尽量不改变现有标准前提下想在工控领域中充分利用以太网优点，就须找到一种方法保证以太网中数据传输时间确定性，使其实现实时通信。
1. 工业控制对实时性的要求
(1)实时性
在工业控制系统中，实时可定义为系统对某事件响应时间的可预测性。一个事件发生后，系统须在一个可准确预见的时间范围内作出反应。至于反应时间须有多快，由被控制过程决定。化工热化过程控制有秒级别的反应时间就足够，而在高动态传动控制中系统反应时间必须达到微秒级。
另外，还可把工控中的实时性分为硬实时和软实时两种不同类别(它们之间没有明显界线)。硬实时：控制中系统响应时间要求如达不到将导致致命后果(如汽车ABS、飞机、工具机床等)。软实时：系统响应时间如达不到要求仅影响系统控制质量，而不会造成严重后果(如楼宇系统、电梯、仓库管理等)。
(2)抖动(Jitter)
所谓抖动，是指同样过程每次完成或响应时间上的偏差，也就是时间精确度。抖动大小对一些过程控制如运动控制和一些高精确度闭环控制非常关键。以无轴印刷机为例：设印刷速度为25m/s，也就是说每40mm/µs 。轴间通信如大于40µs抖动，就会有1mm以上的偏差，印刷质量肯定不能满足要求，如图1。
(3)通信周期时间
控制系统中的程序以周期性循环的方式运行，一个周期内所有输入被刷新，完成计算任务后再被写入输出中，周期时间长短由控制对象决定。高动态传动控制周期往往要达到毫秒级。
系统联网后，网络数据交换速度应和系统运算周期时间相对应。在位置控制、电子齿轮、多轴联动的高精确度运动控制中，刷新时间越短越好。时间越短控制精确度越高，能完成的动态性能也更高。多轴联动中，伺服系统如以400µs的周期进行位置控制，各轴间的信息交换当然也是以400µs周期为最佳，以达到轴间最精确的同步。
2. 实时级别划分
按照不同过程对实时性要求的不同，可把实时性能划分为4个级别(如图2)。其中实时级别4是工控中对实时性能要求最苛刻的，主要是机械传动和运动控制中对实时性的要求。
针对这些实时要求对象可选用不同现场总线系统，如果工业以太网要成为全工控领域的标准，就须覆盖所有这些对实时性能和通信周期的需求，也就是须满足最苛刻的实时要求。
二 解决以太网实时局限性的传统方法
目前，有几种解决以太网数据传输时间不确定问题的方案，其共同点是：都不改变现有以太网通信机制，协议也是直接使用TCP/IP，有很多局限性。代表性方式有：
(1)低冲突概率
如网络中没有太多数据，冲突概率会降低，它随数据通信的增加而呈指数级增长。当网络负载低于或等于10%时，可假设冲突可避免。
这种方法局限性：不能充分利用网络带宽，浪费带宽；且不能百分之百保证冲突不会发生。
(2)在冲突域利用网络交换器分段
如图3，利用网络交换器分段是一种完全不同的方案，能完全避免冲突发生。其原理是把可能发生冲突的网域用网络交换器隔开。它有些类似于一组点对点连接。
这种方式局限性：数据通信被网络交换器的分配和缓冲过程所带来的延迟时间所影响，传输时间特性受制于网络交换器的配置而会有一些偏差。在高动态传动控制中，这种偏差是不允许的；且设置网络交换器需工作人员对网络技术十分了解；此外，其成本也相对高。
(3)IEEE 1588对时机制
该方法能较好克服以太网实时性不足。主要原理是对网络中所有站点进行对时同步。由一个同步信号周期性地对网络中所有站点的时钟进行校正同步。站点发送的每一帧数据都自带一个时间标志，告诉接收方必须执行任务的确切时间。根据时间精确度要求高低，可使用软件时钟或硬件系统时钟。如精确度要求很高，还要在网络中附加一个硬件装置来测量信号通信本身所需时间。
此方法优点：可达到很高传输时间确定性，也就是实时性；可直接使用TCP/IP协议。局限性是：所有站点须自带时钟，成本较高。目前还没有测量信号通信本身需时间的硬件装置来满足更高精确度要求。最大问题是，这种通信机制给系统编程带来很大影响，因控制任务须通过时间触发方式启动，提高了编程难度，且不符合工控工程人员编程习惯。
三 真正实时以太网——Ethernet Powerlink
奥地利贝加莱(B&R)公司开发的 Ethernet Powerlink(EPL)标准是一种可满足最苛刻实时要求(4级)、并已投入实际应用的工业以太网。该公司当初开发Ethernet Powerlink的思路是在标准以太网基础上建立一个现场总线系统来满足控制中最苛刻的实时要求，同时克服以上介绍的传统解决方案的局限性。
Ethernet Powelink主要技术指标：用标准以太网IEEE802.3u(Fast Ether-net)作为传输媒介；传输速率100Mb/s；使用标准Hub和标准接线；实时数据传输周期最小达200µs；抖动小于1µs；可同时传输实时和非实时数据；可同时传输IP协议；使用以太网标准硬件设备。
1. 工作原理——时间槽通信管理机制
为避免冲突、尽量利用带宽，EPL在时间上重新组织了网络中站间信息交换机制，在CSMA基础上引入时间槽管理机制。网络其中一个站点充当管理站管理网络通信，对其他所有站点给定同步节拍，分别分配各站发布权限，各站只能在得到发布权限后才可发布信息。
一个EPL通信周期可分成4个阶段(如图4)：
(1)开始阶段：管理员发布“通信周期开始(SoC)”信号，信号以广播方式发给所有站点。此信号发出后，各站点就此同步。
(2)同步阶段：这阶段中所有站点进行同步信息交换，管理站按照一个事先定义的顺序给某站发一个PRq帧，要求此站发布信息。此站得到发布许可后，以广播形式发出一帧PRs回应信息，所有站点都可收到这帧信息，也包括那些应该得到这帧信息的站点。站点间直接横向通信方式和CAN总线很相似。
(3)异步阶段：这个阶段是给无实时要求的信息留下的，管理站发给某站一个“邀请”帧，此站便可发布非同步信息，比如一帧IP信息。
(4)闲置阶段：到下一个周期前的等待时间。
2. 拓扑结构
通过使用Hub可实现任意网络拓扑结构，因为同时间内网络中只有一站可发送信息，不会发生冲突，所以Hub使用数量不受限制。系统可使用双端口Hub，实现单线形串连式的拓扑结构。EPL网络不建议使用网络交换器，因为它会导致更高系统延迟和抖动。外界标准以太网(如局域网)可直接通过一个网关用IP协议访问EPL网络。
Ethernet Powerlink V2的应用层接口是以CANOpen(CAN in Auto-mation组织定义)中DS301通信规范定义的机制为基础的。这样，EPL可直接使用已在CANopen中定义的大量设备元器件特征，实现了CANopen和EPL网络通信的一贯性，也简化了从CANopen到Ether-netPowerlink的软件层过渡。
3. Ethernet Powerlink和TCP/IP的兼容性
在工控领域使用以太网的一个重要目的是实现贯穿管理层到现场层乃至传感器、执行器层的通信。各个层之间没有位置或系统所造成的界线，通信使用IP协议。Ethernet Powerlink通过两个机制来实现这个目标：实时和非实时(异步)信息可同时传输；透明地在异步时间槽发送和接收IP协议信息(如图5)。
Ethernet Powerlink接口函数API和标准以太网驱动函数完全兼容。在应用层上，基于IP的协议或软件都可不加改动就直接使用。在通信实时性不重要时，如程序下载、系统编程诊断或参数配置过程中，用Ethernet Powerlink的开放模式可使所有站点作为普通以太网站点的模式来使用(非实时模式)。在这个模式下EPL站点对普通以太网来说完全透明。
4. Ethernet Powerlink 的实际应用与标准化进程
Ethernet Powerlink投入实际应用3年以来，用户反应良好，在世界范围内已有两万个以上的节点投入使用，并以极高速度扩大市场占有率。它证明以太网可满足控制系统对实时性最苛刻的要求。从三轴同步的全电子注塑机(通信周期400µs，抖动<1µs)，到25轴无轴印刷机(通信周期800µs，抖动<1µs)，乃至50轴加50个IO站点的大型包装机械(通信周期2.4ms，抖动<1ms)，它的性能都已在现场中得到了考验。
当然，一个新的通信标准是否能被广大用户接受，除技术优势外，这个标准的普及程度是最关键的因素。为加快EPL标准的普及，贝加莱开发EPL标准后随即公开了这个技术，并委托中立机构(苏黎世工科学院)来管理此项标准。此后，欧洲几个知名工控企业如Lenze、Kuka Roboter、Hirschmann也加入到这个行列中来，成立了Ethernet Powerlink标准化协会EPSG，目的是共同开发有关硬软件产品，使Ethernet Powerlink尽快在工控行业中得到普及。至今全世界已有30多家知名工控企业，其中包括终端用户参加EPSG协会，共同参与Ethernet Powerlink标准的改进，并同时开发、生产有关硬软件产品。 这使得此标准独立于任何公司，成为一个世界性的、开放的工业以太网标准。
同时，EPSG正与IEEE标准化组织商讨关于使Ethernet Powerlink成为IEEE新一代工业以太网标准的一部分，使其成为真正的国际标准。