实时以太网Powerlink技术的研究

实时以太网Powerlink技术的研究

在过去的二十年，追随庞大的现场总线系统变得愈发困难，太多特定用于工厂生产过程目的的总线被开发出来，然而，不同系统的局限性仍然阻碍了性能的发挥，新的需求更多的在于强调通信系统的可用性，提供高灵活性和板级的兼容性，一个新的允许持续改善和性能升级的方案加入了这个队伍。

以太网快速应对这种挑战，它已经被证实和应用且广泛标准化的技术，而且它是一个免专利费的技术，此外，他还是一个具有保持一致性潜力的集成或通信方案。例如，它允许在过程和现场级的互联，然而，融洽了Internet协议和TCP/IP的标准以太网并不适合硬件实时的数据传输。SMA/CD（载波侦听多路访问冲突、冲突检测）机制导致了数据不可预知的堵塞。作为EthemetlEEE802.3的一部分，这个机制有助于消除总线上由于以太网传输先天性所决定的数据冲突。

一个网络面向所有系统

什么是“一个网络面向所有系统”的含义？POWERLINK是一个实时工业以太网方案，设计能够给用户一个独立的，一致的并且集成用以处理各种现代自动化中通信任务的方法。它适合所有可以想象的应用；机器制造和工厂工程，同时也可以在过程控制中应用，POWERLINK网络集成所有工业自动化组件，如PLC，传感器、I/O模块、运动控制、安全控制、安全传感器、执行机构积极HMI系统。

一个POWERLINK循环不仅能够提供有效实时载荷，并且可以在异步阶段传输异步数据，同事，一个固定时隙用以传输多种用户数据，那些对时间要求不高的数据也可以被传输，如用于节点监控和访问控制的视频。此外，相应的网关也允许非POWERLINK总线的非实时数据在一个异步循环里进行传输，也就是说，该协议可以集成不同的网络。

构架

由于其高宽带、极短的循环时间以及协议的灵活性等性能特点，POWERLINK既适合集中式有适合于分布自动化概念，机器和工厂设计为分布式架构基于用户改装和扩展非常大的灵活性，但是需要一个通信系统非常良好的满足这一架构，POWERLINK是一个显然适应这种需求的技术，因为它良好地继承了Ethernet标准的两个非常关键的特性使它可以用于分布式环境，即交叉通信和信任的拓扑结构设计。

图1 POWERLINK网络集成的工业自动化组件

交叉通信使得在各个组件间的通信无需通过主站，所有的设备可以以广播形式直接发送数据到整个网络，所有其它节点可以接受这些数据。

自由的拓扑对于模块化系统的扩展是非常必要的，之前采用固定拓扑时，机器升级、工厂扩容和持续的新设备添加要么几乎不可能，要么支付高昂的费用。不仅有卓越的可量测性，POWERLINK使得在系统扩展的同时却丝毫不影响其实时能力等级。

POWERLINK拓扑结构

Ethemet的，同样也是POWERLINK非常重要的一个特性是，用户可以100%自由的选择任意网络拓扑结构，网络可以是星形、树形、菊花链或者环形结构，以及任意的这些拓补的组合，而无需配置，在应用层和物理层也没有相互依赖的逻辑连接，网络的改变包括动态调整可以在任意时刻以任意方式进行，而不会削弱应用。

POWERLINK循环的同步阶段应用于时间要求高的有效数据传输，之后是异步阶段，它使用整个循环的剩余时间，在这个阶段，比较大的数据包，时间不紧迫的数据包可以以标准以太网帧的方式传输。如果一个设备数据量很大，以致不能在一个循环期间内完成，网络有能力将数据分配到几个异步阶段来完成。路由器或网关可以被用来将异步数据从POWERLINK网络的实时域分割出来，而且，这些数据可以向两个方向流动，因此也可以从外部对实时域的设备进行访问和配置。任何数据如，SDO-用于设备配置和诊断，应用数据如监控摄像头，协议如TCP/IP设备配置或者从WEB浏览器来的维护数据都可以在异步阶段传输。这也是一种连接那些没有实时要求的网络节点的方法，同时这意味着可以在网络中集成其他总线的组件和设备，此时，非POWERLINK的设备与POWERLINK节点通过网关连接，非POWERLINK总线数据在异步阶段发送。这种数据传输模式对于热插播至关重要，新添设备或者替换标识时，它们自己通过在异步阶段向管理节点发送他们的设备数据来实现。

图2 环形冗余

POWERLINK类型

（1）环形冗余

经典的环形冗余是一个简单且非常经济的机器工程应用选择，节点以环形连接，远离数据线路中心的外部终端也被连接到控制器（对于这种设计，一根额外的数据电缆足够满足将一个菊花链接转为环形，控制器提供两个接口支持冗余操作），当一个线路失效被检测到后，系统在一个循环周期里从失效单元切换到冗余单元，这种类型的冗余典型的应用于暴露在外的机械恶劣的环境。

（2）主站冗余

主站冗余是指主站（即管理节点）冗余。这对于高可用系统而言扮演非常重要的角色，用于过程控制如能源系统，主站冗余是基于在最高网络层级采用两个或更多的管理节点。只有一个动态管理节点（AMN），其他都是热备或者扮演受控节点的角色。当然，这是从管理节点视野看。热备的MN和CN的唯一区别就是MN持续监控所有网络和CN功能，这能确保在紧急情况下，在任何时间接管AMN而无需重启系统。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.010