實時以太網Powerlink技術的研究

實時以太網Powerlink技術的研究

在過去的二十年，追隨龐大的現場總線系統變得愈發困難，太多特定用于工廠生產過程目的的總線被開發出來，然而，不同系統的局限性仍然阻礙了性能的發揮，新的需求更多的在于強調通信系統的可用性，提供高靈活性和板級的兼容性，一個新的允許持續改善和性能升級的方案加入了這個隊伍。

以太網快速應對這種挑戰，它已經被證實和應用且廣泛標準化的技術，而且它是一個免專利費的技術，此外，他還是一個具有保持一致性潛力的集成或通信方案。例如，它允許在過程和現場級的互聯，然而，融洽了Internet協議和TCP/IP的標準以太網并不適合硬件實時的數據傳輸。SMA/CD（載波偵聽多路訪問沖突、沖突檢測）機制導致了數據不可預知的堵塞。作為EthemetlEEE802.3的一部分，這個機制有助于消除總線上由于以太網傳輸先天性所決定的數據沖突。

一個網絡面向所有系統

什么是“一個網絡面向所有系統”的含義？POWERLINK是一個實時工業以太網方案，設計能夠給用戶一個獨立的，一致的并且集成用以處理各種現代自動化中通信任務的方法。它適合所有可以想象的應用；機器制造和工廠工程，同時也可以在過程控制中應用，POWERLINK網絡集成所有工業自動化組件，如PLC，傳感器、I/O模塊、運動控制、安全控制、安全傳感器、執行機構積極HMI系統。

一個POWERLINK循環不僅能夠提供有效實時載荷，并且可以在異步階段傳輸異步數據，同事，一個固定時隙用以傳輸多種用戶數據，那些對時間要求不高的數據也可以被傳輸，如用于節點監控和訪問控制的視頻。此外，相應的網關也允許非POWERLINK總線的非實時數據在一個異步循環里進行傳輸，也就是說，該協議可以集成不同的網絡。

構架

由于其高寬帶、極短的循環時間以及協議的靈活性等性能特點，POWERLINK既適合集中式有適合于分布自動化概念，機器和工廠設計為分布式架構基于用戶改裝和擴展非常大的靈活性，但是需要一個通信系統非常良好的滿足這一架構，POWERLINK是一個顯然適應這種需求的技術，因為它良好地繼承了Ethernet標準的兩個非常關鍵的特性使它可以用于分布式環境，即交叉通信和信任的拓撲結構設計。

圖1 POWERLINK網絡集成的工業自動化組件

交叉通信使得在各個組件間的通信無需通過主站，所有的設備可以以廣播形式直接發送數據到整個網絡，所有其它節點可以接受這些數據。

自由的拓撲對于模塊化系統的擴展是非常必要的，之前采用固定拓撲時，機器升級、工廠擴容和持續的新設備添加要么幾乎不可能，要么支付高昂的費用。不僅有卓越的可量測性，POWERLINK使得在系統擴展的同時卻絲毫不影響其實時能力等級。

POWERLINK拓撲結構

Ethemet的，同樣也是POWERLINK非常重要的一個特性是，用戶可以100%自由的選擇任意網絡拓撲結構，網絡可以是星形、樹形、菊花鏈或者環形結構，以及任意的這些拓補的組合，而無需配置，在應用層和物理層也沒有相互依賴的邏輯連接，網絡的改變包括動態調整可以在任意時刻以任意方式進行，而不會削弱應用。

POWERLINK循環的同步階段應用于時間要求高的有效數據傳輸，之后是異步階段，它使用整個循環的剩余時間，在這個階段，比較大的數據包，時間不緊迫的數據包可以以標準以太網幀的方式傳輸。如果一個設備數據量很大，以致不能在一個循環期間內完成，網絡有能力將數據分配到幾個異步階段來完成。路由器或網關可以被用來將異步數據從POWERLINK網絡的實時域分割出來，而且，這些數據可以向兩個方向流動，因此也可以從外部對實時域的設備進行訪問和配置。任何數據如，SDO-用于設備配置和診斷，應用數據如監控攝像頭，協議如TCP/IP設備配置或者從WEB瀏覽器來的維護數據都可以在異步階段傳輸。這也是一種連接那些沒有實時要求的網絡節點的方法，同時這意味著可以在網絡中集成其他總線的組件和設備，此時，非POWERLINK的設備與POWERLINK節點通過網關連接，非POWERLINK總線數據在異步階段發送。這種數據傳輸模式對于熱插播至關重要，新添設備或者替換標識時，它們自己通過在異步階段向管理節點發送他們的設備數據來實現。

圖2 環形冗余

POWERLINK類型

（1）環形冗余

經典的環形冗余是一個簡單且非常經濟的機器工程應用選擇，節點以環形連接，遠離數據線路中心的外部終端也被連接到控制器（對于這種設計，一根額外的數據電纜足夠滿足將一個菊花鏈接轉為環形，控制器提供兩個接口支持冗余操作），當一個線路失效被檢測到后，系統在一個循環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用于暴露在外的機械惡劣的環境。

（2）主站冗余

主站冗余是指主站（即管理節點）冗余。這對于高可用系統而言扮演非常重要的角色，用于過程控制如能源系統，主站冗余是基于在最高網絡層級采用兩個或更多的管理節點。只有一個動態管理節點（AMN），其他都是熱備或者扮演受控節點的角色。當然，這是從管理節點視野看。熱備的MN和CN的唯一區別就是MN持續監控所有網絡和CN功能，這能確保在緊急情況下，在任何時間接管AMN而無需重啟系統。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.010