實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet Powerlink

關(guān)鍵詞：Ethernet　Powerlink　抖動(dòng)
　　
　　
　　　　近十年來(lái)，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，以太網(wǎng)成為商業(yè)通信中的主導網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。以太網(wǎng)的通信速率要比目前任何工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)高很多，因它是IT界標準網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，成千上萬(wàn)的公司參與開(kāi)發(fā)生產(chǎn)有關(guān)產(chǎn)品，使其成本低廉，可選擇范圍十分廣闊。因此，人們期望以太網(wǎng)也能應用到工控領(lǐng)域中，憑著(zhù)它的低成本、極高的通信速率、全球普及的標準，逐漸取代現有工控行業(yè)中繁多的總線(xiàn)系統，用以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現從管理層到工業(yè)現場(chǎng)層的貫穿一致性通信。
　　　　工控領(lǐng)域和IT界對網(wǎng)絡(luò )系統有著(zhù)截然不同的需求，要想有效地應用以太網(wǎng)，必須使其符合工業(yè)環(huán)境的特殊需求。本文以實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)標準 Ethernet Powerlink為例，介紹工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)現方案和現場(chǎng)實(shí)際應用情況。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——作者序
　　
　　一 標準以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)局限性
　　
　　　　目前，標準以太網(wǎng)可達到100Mb/s甚至1000Mb/s的傳輸速度，遠快于任何現場(chǎng)總線(xiàn)系統。但對于工業(yè)控制來(lái)說(shuō)，比傳輸速率更重要的是實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要標志是時(shí)間的確定性，通信時(shí)數據傳輸時(shí)間不是隨機的，而是可事先準確預測的。
　　　　以太網(wǎng)雖有很高傳輸速率卻不能保證實(shí)現控制設備間的實(shí)時(shí)通信。標準以太網(wǎng)IEEE802.3的通信機制使數據傳輸時(shí)間可被任意推遲，也就談不上實(shí)時(shí)性。而在工控領(lǐng)域中，特別是在對高動(dòng)態(tài)過(guò)程的控制中，實(shí)時(shí)性卻必不可少。
　　　　普通以太網(wǎng)產(chǎn)生這種通信時(shí)間不確定性的原因，是它對物理介質(zhì)的訪(fǎng)問(wèn)機制CSMA/CD。CSMA/CD是以太網(wǎng)標準IEEE802.3的核心，如在盡量不改變現有標準前提下想在工控領(lǐng)域中充分利用以太網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)，就須找到一種方法保證以太網(wǎng)中數據傳輸時(shí)間確定性，使其實(shí)現實(shí)時(shí)通信。
　　
　　1. 工業(yè)控制對實(shí)時(shí)性的要求
　　
　　　　(1)實(shí)時(shí)性
　　　　在工業(yè)控制系統中，實(shí)時(shí)可定義為系統對某事件響應時(shí)間的可預測性。一個(gè)事件發(fā)生后，系統須在一個(gè)可準確預見(jiàn)的時(shí)間范圍內作出反應。至于反應時(shí)間須有多快，由被控制過(guò)程決定?；峄^(guò)程控制有秒級別的反應時(shí)間就足夠，而在高動(dòng)態(tài)傳動(dòng)控制中系統反應時(shí)間必須達到微秒級。
　　　　另外，還可把工控中的實(shí)時(shí)性分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)兩種不同類(lèi)別(它們之間沒(méi)有明顯界線(xiàn))。硬實(shí)時(shí)：控制中系統響應時(shí)間要求如達不到將導致致命后果(如汽車(chē)ABS、飛機、工具機床等)。軟實(shí)時(shí)：系統響應時(shí)間如達不到要求僅影響系統控制質(zhì)量，而不會(huì )造成嚴重后果(如樓宇系統、電梯、倉庫管理等)。
　　　　(2)抖動(dòng)(Jitter)
　　　　所謂抖動(dòng)，是指同樣過(guò)程每次完成或響應時(shí)間上的偏差，也就是時(shí)間精確度。抖動(dòng)大小對一些過(guò)程控制如運動(dòng)控制和一些高精確度閉環(huán)控制非常關(guān)鍵。以無(wú)軸印刷機為例：設印刷速度為25m/s，也就是說(shuō)每40mm/µs 。軸間通信如大于40µs抖動(dòng)，就會(huì )有1mm以上的偏差，印刷質(zhì)量肯定不能滿(mǎn)足要求，如圖1。
　　
　　　　(3)通信周期時(shí)間
　　　　控制系統中的程序以周期性循環(huán)的方式運行，一個(gè)周期內所有輸入被刷新，完成計算任務(wù)后再被寫(xiě)入輸出中，周期時(shí)間長(cháng)短由控制對象決定。高動(dòng)態(tài)傳動(dòng)控制周期往往要達到毫秒級。
　　系統聯(lián)網(wǎng)后，網(wǎng)絡(luò )數據交換速度應和系統運算周期時(shí)間相對應。在位置控制、電子齒輪、多軸聯(lián)動(dòng)的高精確度運動(dòng)控制中，刷新時(shí)間越短越好。時(shí)間越短控制精確度越高，能完成的動(dòng)態(tài)性能也更高。多軸聯(lián)動(dòng)中，伺服系統如以400µs的周期進(jìn)行位置控制，各軸間的信息交換當然也是以400µs周期為最佳，以達到軸間最精確的同步。
　　
　　2. 實(shí)時(shí)級別劃分
　　
　　　　按照不同過(guò)程對實(shí)時(shí)性要求的不同，可把實(shí)時(shí)性能劃分為4個(gè)級別(如圖2)。其中實(shí)時(shí)級別4是工控中對實(shí)時(shí)性能要求最苛刻的，主要是機械傳動(dòng)和運動(dòng)控制中對實(shí)時(shí)性的要求。
　　　　針對這些實(shí)時(shí)要求對象可選用不同現場(chǎng)總線(xiàn)系統，如果工業(yè)以太網(wǎng)要成為全工控領(lǐng)域的標準，就須覆蓋所有這些對實(shí)時(shí)性能和通信周期的需求，也就是須滿(mǎn)足最苛刻的實(shí)時(shí)要求。
　　
　　二 解決以太網(wǎng)實(shí)時(shí)局限性的傳統方法
　　
　　　　目前，有幾種解決以太網(wǎng)數據傳輸時(shí)間不確定問(wèn)題的方案，其共同點(diǎn)是：都不改變現有以太網(wǎng)通信機制，協(xié)議也是直接使用TCP/IP，有很多局限性。代表性方式有：
　　　　(1)低沖突概率
　　　　如網(wǎng)絡(luò )中沒(méi)有太多數據，沖突概率會(huì )降低，它隨數據通信的增加而呈指數級增長(cháng)。當網(wǎng)絡(luò )負載低于或等于10%時(shí)，可假設沖突可避免。
　　　　這種方法局限性：不能充分利用網(wǎng)絡(luò )帶寬，浪費帶寬；且不能百分之百保證沖突不會(huì )發(fā)生。
　　　　(2)在沖突域利用網(wǎng)絡(luò )交換器分段
　　
　　　　如圖3，利用網(wǎng)絡(luò )交換器分段是一種完全不同的方案，能完全避免沖突發(fā)生。其原理是把可能發(fā)生沖突的網(wǎng)域用網(wǎng)絡(luò )交換器隔開(kāi)。它有些類(lèi)似于一組點(diǎn)對點(diǎn)連接。
　　　　這種方式局限性：數據通信被網(wǎng)絡(luò )交換器的分配和緩沖過(guò)程所帶來(lái)的延遲時(shí)間所影響，傳輸時(shí)間特性受制于網(wǎng)絡(luò )交換器的配置而會(huì )有一些偏差。在高動(dòng)態(tài)傳動(dòng)控制中，這種偏差是不允許的；且設置網(wǎng)絡(luò )交換器需工作人員對網(wǎng)絡(luò )技術(shù)十分了解；此外，其成本也相對高。
　　　　(3)IEEE 1588對時(shí)機制
　　　　該方法能較好克服以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性不足。主要原理是對網(wǎng)絡(luò )中所有站點(diǎn)進(jìn)行對時(shí)同步。由一個(gè)同步信號周期性地對網(wǎng)絡(luò )中所有站點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步。站點(diǎn)發(fā)送的每一幀數據都自帶一個(gè)時(shí)間標志，告訴接收方必須執行任務(wù)的確切時(shí)間。根據時(shí)間精確度要求高低，可使用軟件時(shí)鐘或硬件系統時(shí)鐘。如精確度要求很高，還要在網(wǎng)絡(luò )中附加一個(gè)硬件裝置來(lái)測量信號通信本身所需時(shí)間。
　　　　此方法優(yōu)點(diǎn)：可達到很高傳輸時(shí)間確定性，也就是實(shí)時(shí)性；可直接使用TCP/IP協(xié)議。局限性是：所有站點(diǎn)須自帶時(shí)鐘，成本較高。目前還沒(méi)有測量信號通信本身需時(shí)間的硬件裝置來(lái)滿(mǎn)足更高精確度要求。最大問(wèn)題是，這種通信機制給系統編程帶來(lái)很大影響，因控制任務(wù)須通過(guò)時(shí)間觸發(fā)方式啟動(dòng)，提高了編程難度，且不符合工控工程人員編程習慣。
　　
　　三 真正實(shí)時(shí)以太網(wǎng)——Ethernet Powerlink
　　
　　　　奧地利貝加萊(B&R)公司開(kāi)發(fā)的 Ethernet Powerlink(EPL)標準是一種可滿(mǎn)足最苛刻實(shí)時(shí)要求(4級)、并已投入實(shí)際應用的工業(yè)以太網(wǎng)。該公司當初開(kāi)發(fā)Ethernet Powerlink的思路是在標準以太網(wǎng)基礎上建立一個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)系統來(lái)滿(mǎn)足控制中最苛刻的實(shí)時(shí)要求，同時(shí)克服以上介紹的傳統解決方案的局限性。
　　　　Ethernet Powelink主要技術(shù)指標：用標準以太網(wǎng)IEEE802.3u(Fast Ether-net)作為傳輸媒介；傳輸速率100Mb/s；使用標準Hub和標準接線(xiàn)；實(shí)時(shí)數據傳輸周期最小達200µs；抖動(dòng)小于1µs；可同時(shí)傳輸實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數據；可同時(shí)傳輸IP協(xié)議；使用以太網(wǎng)標準硬件設備。
　　
　　1. 工作原理——時(shí)間槽通信管理機制
　　
　　　　為避免沖突、盡量利用帶寬，EPL在時(shí)間上重新組織了網(wǎng)絡(luò )中站間信息交換機制，在CSMA基礎上引入時(shí)間槽管理機制。網(wǎng)絡(luò )其中一個(gè)站點(diǎn)充當管理站管理網(wǎng)絡(luò )通信，對其他所有站點(diǎn)給定同步節拍，分別分配各站發(fā)布權限，各站只能在得到發(fā)布權限后才可發(fā)布信息。
　　　　一個(gè)EPL通信周期可分成4個(gè)階段(如圖4)：
　　
　　　　(1)開(kāi)始階段：管理員發(fā)布“通信周期開(kāi)始(SoC)”信號，信號以廣播方式發(fā)給所有站點(diǎn)。此信號發(fā)出后，各站點(diǎn)就此同步。
　　　　(2)同步階段：這階段中所有站點(diǎn)進(jìn)行同步信息交換，管理站按照一個(gè)事先定義的順序給某站發(fā)一個(gè)PRq幀，要求此站發(fā)布信息。此站得到發(fā)布許可后，以廣播形式發(fā)出一幀PRs回應信息，所有站點(diǎn)都可收到這幀信息，也包括那些應該得到這幀信息的站點(diǎn)。站點(diǎn)間直接橫向通信方式和CAN總線(xiàn)很相似。
　　　　(3)異步階段：這個(gè)階段是給無(wú)實(shí)時(shí)要求的信息留下的，管理站發(fā)給某站一個(gè)“邀請”幀，此站便可發(fā)布非同步信息，比如一幀IP信息。
　　　　(4)閑置階段：到下一個(gè)周期前的等待時(shí)間。
　　
　　2. 拓撲結構
　　
　　　　通過(guò)使用Hub可實(shí)現任意網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，因為同時(shí)間內網(wǎng)絡(luò )中只有一站可發(fā)送信息，不會(huì )發(fā)生沖突，所以Hub使用數量不受限制。系統可使用雙端口Hub，實(shí)現單線(xiàn)形串連式的拓撲結構。EPL網(wǎng)絡(luò )不建議使用網(wǎng)絡(luò )交換器，因為它會(huì )導致更高系統延遲和抖動(dòng)。外界標準以太網(wǎng)(如局域網(wǎng))可直接通過(guò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)用IP協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)EPL網(wǎng)絡(luò )。
　　　　Ethernet Powerlink V2的應用層接口是以CANOpen(CAN in Auto-mation組織定義)中DS301通信規范定義的機制為基礎的。這樣，EPL可直接使用已在CANopen中定義的大量設備元器件特征，實(shí)現了CANopen和EPL網(wǎng)絡(luò )通信的一貫性，也簡(jiǎn)化了從CANopen到Ether-netPowerlink的軟件層過(guò)渡。
　　
　　3. Ethernet Powerlink和TCP/IP的兼容性
　　
　　　　在工控領(lǐng)域使用以太網(wǎng)的一個(gè)重要目的是實(shí)現貫穿管理層到現場(chǎng)層乃至傳感器、執行器層的通信。各個(gè)層之間沒(méi)有位置或系統所造成的界線(xiàn)，通信使用IP協(xié)議。Ethernet Powerlink通過(guò)兩個(gè)機制來(lái)實(shí)現這個(gè)目標：實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)(異步)信息可同時(shí)傳輸；透明地在異步時(shí)間槽發(fā)送和接收IP協(xié)議信息(如圖5)。
　　
　　　　Ethernet Powerlink接口函數API和標準以太網(wǎng)驅動(dòng)函數完全兼容。在應用層上，基于IP的協(xié)議或軟件都可不加改動(dòng)就直接使用。在通信實(shí)時(shí)性不重要時(shí)，如程序下載、系統編程診斷或參數配置過(guò)程中，用Ethernet Powerlink的開(kāi)放模式可使所有站點(diǎn)作為普通以太網(wǎng)站點(diǎn)的模式來(lái)使用(非實(shí)時(shí)模式)。在這個(gè)模式下EPL站點(diǎn)對普通以太網(wǎng)來(lái)說(shuō)完全透明。
　　
　　4. Ethernet Powerlink 的實(shí)際應用與標準化進(jìn)程
　　
　　　　Ethernet Powerlink投入實(shí)際應用3年以來(lái)，用戶(hù)反應良好，在世界范圍內已有兩萬(wàn)個(gè)以上的節點(diǎn)投入使用，并以極高速度擴大市場(chǎng)占有率。它證明以太網(wǎng)可滿(mǎn)足控制系統對實(shí)時(shí)性最苛刻的要求。從三軸同步的全電子注塑機(通信周期400µs，抖動(dòng)<1µs)，到25軸無(wú)軸印刷機(通信周期800µs，抖動(dòng)<1µs)，乃至50軸加50個(gè)IO站點(diǎn)的大型包裝機械(通信周期2.4ms，抖動(dòng)<1ms)，它的性能都已在現場(chǎng)中得到了考驗。
　　　　當然，一個(gè)新的通信標準是否能被廣大用戶(hù)接受，除技術(shù)優(yōu)勢外，這個(gè)標準的普及程度是最關(guān)鍵的因素。為加快EPL標準的普及，貝加萊開(kāi)發(fā)EPL標準后隨即公開(kāi)了這個(gè)技術(shù)，并委托中立機構(蘇黎世工科學(xué)院)來(lái)管理此項標準。此后，歐洲幾個(gè)知名工控企業(yè)如Lenze、Kuka Roboter、Hirschmann也加入到這個(gè)行列中來(lái)，成立了Ethernet Powerlink標準化協(xié)會(huì )EPSG，目的是共同開(kāi)發(fā)有關(guān)硬軟件產(chǎn)品，使Ethernet Powerlink盡快在工控行業(yè)中得到普及。至今全世界已有30多家知名工控企業(yè)，其中包括終端用戶(hù)參加EPSG協(xié)會(huì )，共同參與Ethernet Powerlink標準的改進(jìn)，并同時(shí)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)有關(guān)硬軟件產(chǎn)品。 這使得此標準獨立于任何公司，成為一個(gè)世界性的、開(kāi)放的工業(yè)以太網(wǎng)標準。
　　　　同時(shí)，EPSG正與IEEE標準化組織商討關(guān)于使Ethernet Powerlink成為IEEE新一代工業(yè)以太網(wǎng)標準的一部分，使其成為真正的國際標準。

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