Ethernet Powerlink 编辑
Ethernet Powerlink是在标准以太网上的实时通信协议,是由Ethernet POWERLINK标准化组(EPSG)管理的开放通信协议,是由奥地利自动化公司B&R在2001年开始使用。
此通信协议的名称中虽然有Power,但是和以太网网线的电力分布、以太网供电(PoE)、电力线通信(power line communication)或铂傲的PowerLink线缆都没有关系。
简介
编辑Ethernet Powerlink是Ethernet的扩展,混合了轮询以及时间切片(timeslicing)机制,可以提供:
- 时间关键资料可以确保在非常短的等时(isochronic)周期中发送,具有可规划的回应时间。
- 网络上的所有节点都可以时间同步(Time-synchronisation),精度可以到微秒以下。
- 比较没有时间关键性的资料传输是在一个专属的异步通道中传输。
目前的实现方式其循环时间可以到200 µs以下,其时间精度(jitter)小于1 µs。
标准化组织
编辑Ethernet Powerlink由Powerlink标准化组(EPSG)所推动的,此组织在2003年6月成立,是独立的协会。
标准化组中有许多的工作组,例如安全、技术、营销、认证及终端客户。EPSG和标准化组织及协会一起运作,类似CAN in Automation(CiA)及IEC(电际电工协会)的关系。
物理层
编辑Ethernet Powerlink原来的物理层是100BASE-TX 快速以太网,自从2006年底开始,物理层可以支持吉比特以太网,其传输速率可以提升到十倍(1,000 Mbit/s)。
在实体控制的区域中,建议用集线器(hub),不要使用网络交换器(switch),可以减小延迟以及时间抖动(jitter)[1]。Ethernet Powerlink使用IAONA的Industrial Ethernet Planning and Installation Guide,可以使用二种工业以太网的接头:8P8C(常称为RJ45)及M12。
数据链路层
编辑Ethernet Powerlink利用额外的总线调度机制(bus scheduling mechanism),扩展了标准以太网的数据链路层,确保同一时间只有一个节点可以访问网络。调度机制中分为等时阶段(isochronous phase)以及异步阶段(asynchronous phase)。在等时阶段中会发送时间关键的资料,异步阶段则会提供带宽,发送非时间关键的资料。管理节点(Managing Node,简称MN)会用轮询请求消息的方式允许其他节点访问网络。因此同一个时间只有一个节点(CN)可以访问网络,避免以往在使用网络交换器之前,以太网集线器上会有的资料碰撞(collision)情形。以往没有网络交换器的以太网使用的CSMA/CD机制会产生非确定性的以太网行为,Ethernet Powerlink使用总线调度机制,不会出现这类的行为。
基本周期
编辑在系列启动之后,会在实时条件下运作Real-Time domain。基本周期(basic cycle)的调度是由管理节点(Managing Node)所控制,整体的周期时间会依异步资料的数量、等时资料的数量,以及每一个周期要输询的节点数量而定。
基本周期包括以下的阶段:
- 启动阶段(Start Phase):由管理节点送同步消息给所有节点,此资料框称为SoC,周期开始(Start of Cycle)。
- 等时阶段(Isochronous Phase):管理节点会轮流发送Preq - Poll请求资料框给每一个节点,发送有关制程控制或是运动控制的时间关键资料。寻址到的节点会回复Pres - Poll回复资料框。在这个阶段,所有不在发送状态的节点都处于接收模式,因此此时的通信系统是生产者-消费者(producer-consumer)的关系。
包括Preq-n和Pres-n在内的时间框称为寻址节点的时间槽(time slot)。
- 异步阶段(Asynchronous Phase):管理节点提交SoA(Start of Asynchronous,异步启始)资料框给某特定节点,授权给该节点发送特设(ad-hoc)资料。寻址到的节点会回复ASnd。标准以IP为基础的通信协议及寻址方式可以在此阶段发送。
网络实时通信行为的质量会和整体基本周期时间的精度有关。个别阶段的长度会变化,不过所有周期加起来仍要在基本周期时间的边界内。管理节点会监测基本周期时间的一致程度。可以规划异步及等时阶段的时间。
图1:时间在线方的资料框是由管理节点提交,时间线下方的是由不同的节点提交。
图2:各节点的时间槽以及异步的时间槽
- 频寛优化的多工(Multiplex for Bandwidth Optimization)
网络系统中除了在每一个基本周期发送异步资料外,为了提高频寛利用率,有些节点也可以共享发送时间槽。因此,异步阶段可以区分专属于特定节点,每一个基本周期都可以发送资料的时间槽,另外一些时间槽则是由几个节点共享,几个基本周期才会发送一次资料。因此其他也有时间关键资料,但优先度较低的节点,可以在时间为基本周期整数倍的周期来发送。管理节点可以规划每个发送周期中的时间槽。
图3:EPL的多工模式
- 轮询响应链
轮询响应链(Poll response chaining)模式主要是用在机器人应用以及大型的超级结构(superstructures)。其关键是资料框的数量以及较好的资料分布。
OpenSAFETY
编辑目前,机械、工厂以及安全系统由基于硬件的安全功能组成的严谨方案中。结果是昂贵的网络线以及有限的诊断选项。其解法是将安全相关的应用资料集成到串列控制的通信协议中。OpenSAFETY允许publish/subscriber及client/server两种通信方式。安全相关资料是在标准通信消息中的嵌入资料框中发送。功能安全通信协议中,需要有避免因为系统错误或是随机错误造成未侦测到失效的机制,是其整体性的一部分。OpenSAFETY符合IEC 61508,满足安全完整性等级(SIL)3的要求。错误侦测机制不会影响现有的传输层。
脚注
编辑- ^ POWERLINK Communication Profile Specification: 35. 2013 [2020-01-22]. (原始内容存档于2016-10-18).
参考资料
编辑- Machine safety Tactical brief, Machine Safety (PDF), Automation World, 2012 [2020-01-22], (原始内容 (可移植文档格式)存档于2012-09-07)
- Humphrey, David, openSAFETY Initiative Aims to Unify Industrial Safety Protocols, USA: ARC Advisory Group, 2012 [2020-01-22], (原始内容存档于2012-08-17)
- POWERLINK Awarded National Standard in China, Control Engineering Asia, 2012 [2020-01-22], (原始内容存档于2013-01-19)
- DDASCA Consortium defines openSAFETY as standard, Automation.com, 2012 [2020-01-22], (原始内容存档于2020-08-05)
- Zezulka, F.; Hyncica, o., Průmyslový Ethernet VIII: Ethernet Powerlink, Profinet (可移植文档格式), Automa, 2008, 5: 62–66 [2020-01-22], (原始内容存档 (PDF)于2020-07-31)
- Which Ethernet system is the right one?, Control Engineering Europe, 2009 [2020-01-22], (原始内容存档于2015-11-07)