實時以太網(wǎng)Powerlink技術的研究

在過去的二十年，追隨龐大的現(xiàn)場總線系統(tǒng)變得愈發(fā)困難，太多特定用于工廠生產過程目的的總線被開發(fā)出來，然而，不同系統(tǒng)的局限性仍然阻礙了性能的發(fā)揮，新的需求更多的在于強調通信系統(tǒng)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(xù)改善和性能升級的方案加入了這個隊伍。

以太網(wǎng)快速應對這種挑戰(zhàn)，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(xiàn)場級的互聯(lián)，然而，融洽了Internet協(xié)議和TCP/IP的標準以太網(wǎng)并不適合硬件實時的數(shù)據(jù)傳輸。SMA/CD（載波偵聽多路訪問沖突、沖突檢測）機制導致了數(shù)據(jù)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(wǎng)傳輸先天性所決定的數(shù)據(jù)沖突。

一個網(wǎng)絡面向所有系統(tǒng)

什么是“一個網(wǎng)絡面向所有系統(tǒng)”的含義？POWERLINK是一個實時工業(yè)以太網(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)絡集成所有工業(yè)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(zhí)行機構積極HMI系統(tǒng)。

一個POWERLINK循環(huán)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(shù)據(jù)，同事，一個固定時隙用以傳輸多種用戶數(shù)據(jù)，那些對時間要求不高的數(shù)據(jù)也可以被傳輸，如用于節(jié)點監(jiān)控和訪問控制的視頻。此外，相應的網(wǎng)關也允許非POWERLINK總線的非實時數(shù)據(jù)在一個異步循環(huán)里進行傳輸，也就是說，該協(xié)議可以集成不同的網(wǎng)絡。

構架

由于其高寬帶、極短的循環(huán)時間以及協(xié)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(tǒng)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(huán)境，即交叉通信和信任的拓撲結構設計。

圖1 POWERLINK網(wǎng)絡集成的工業(yè)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(fā)送數(shù)據(jù)到整個網(wǎng)絡，所有其它節(jié)點可以接受這些數(shù)據(jù)。

自由的拓撲對于模塊化系統(tǒng)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(xù)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(tǒng)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(wǎng)絡拓撲結構，網(wǎng)絡可以是星形、樹形、菊花鏈或者環(huán)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(wǎng)絡的改變包括動態(tài)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(huán)的同步階段應用于時間要求高的有效數(shù)據(jù)傳輸，之后是異步階段，它使用整個循環(huán)的剩余時間，在這個階段，比較大的數(shù)據(jù)包，時間不緊迫的數(shù)據(jù)包可以以標準以太網(wǎng)幀的方式傳輸。如果一個設備數(shù)據(jù)量很大，以致不能在一個循環(huán)期間內完成，網(wǎng)絡有能力將數(shù)據(jù)分配到幾個異步階段來完成。路由器或網(wǎng)關可以被用來將異步數(shù)據(jù)從POWERLINK網(wǎng)絡的實時域分割出來，而且，這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)如，SDO-用于設備配置和診斷，應用數(shù)據(jù)如監(jiān)控攝像頭，協(xié)議如TCP/IP設備配置或者從WEB瀏覽器來的維護數(shù)據(jù)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(wǎng)絡節(jié)點的方法，同時這意味著可以在網(wǎng)絡中集成其他總線的組件和設備，此時，非POWERLINK的設備與POWERLINK節(jié)點通過網(wǎng)關連接，非POWERLINK總線數(shù)據(jù)在異步階段發(fā)送。這種數(shù)據(jù)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(jié)點發(fā)送他們的設備數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。

圖2 環(huán)形冗余

POWERLINK類型

（1）環(huán)形冗余

經典的環(huán)形冗余是一個簡單且非常經濟的機器工程應用選擇，節(jié)點以環(huán)形連接，遠離數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)電纜足夠滿足將一個菊花鏈接轉為環(huán)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(tǒng)在一個循環(huán)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(huán)境。

（2）主站冗余

主站冗余是指主站（即管理節(jié)點）冗余。這對于高可用系統(tǒng)而言扮演非常重要的角色，用于過程控制如能源系統(tǒng)，主站冗余是基于在最高網(wǎng)絡層級采用兩個或更多的管理節(jié)點。只有一個動態(tài)管理節(jié)點（AMN），其他都是熱備或者扮演受控節(jié)點的角色。當然，這是從管理節(jié)點視野看。熱備的MN和CN的唯一區(qū)別就是MN持續(xù)監(jiān)控所有網(wǎng)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(tǒng)。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.010