1.     引言

曾幾何時，現場總線方案給自動化行業帶了輝煌的發展，然而隨著工業自動化的發展，目前的現場總線方案已經不能完全適應市場的需求，未來對于自動化的解決方案有了新的要求：

n 速度相比現場總線有大幅度的提高；

n 由于任務越來越多，越來越復雜，要求網絡能夠承載大量的數據交換；

n 對不可測事件的反應時間的要求提高了；

n 最大限度的使用標準的，可靠的技術，以降低開發成本。

于是快速以太網技術進入人們的視野，它以至少10倍于現有現場總線的速度（100Mbps）完全滿足了未來工業網絡對于速度的要求，并且技術成熟可靠。然而快速以太網CSMA/CD的工作原理決定了它不是一個實時的網絡，這對于未來的工業自動化控制是不可接受的。

奧地利貝加萊（B&R）公司在這方面做出了貢獻，她以快速以太網為基礎，開發出了真正的實時工業以太網——Ethernet Powerlink。貝加萊2001年首次向公眾介紹Ethernet Powerlink，同年11月EPSG(Ethernet Powerlink Standardization Group)聯盟成立，2003年6月EPSG協會成立并和CiA(CAN in Automation)開展合作，同年11月由EPSG介紹Ethernet Powerlink V2。到目前為止，有超過150000個節點投入使用，超過300個支持者、供應商和終端用戶。

2.     Ethernet Powerlink技術特點

n 單個網段最多連接240個實時站點；

n 真正的確定性通訊

?  達到IAONA實時等級4級（最高等級）；

?  快速，100Mbit/s，最小循環周期200us；

?  網絡站點之間精確同步，抖動小于1us；

n 標準化

?  底層技術采用IEEE802.3u，快速以太網；

?支持IP協議（TCP，UDP…）；

?  集成CANopen行規EN50325-4，實現設備的互操作性；

?  基于標準的以太網芯片，不需要特別的ASICs；

n 直接點到點通訊

n 支持熱插拔

n 支持多CPU解決方案，優化負載，使之大體平衡。

圖2：負載平衡

Every Cycle：Station 1，2，3；Multiplexed：Station 4-11

-拓撲結構靈活，支持總線型，星型，樹型，菊花鏈。。。

3.     Ethernet Powerlink技術原理

?  Ethernet Powerlink物理層，MAC層：遵循IEEE802.3u，100base-TX

Ethernet Powerlink幀在以太網的數據域里傳輸。

?  Ethernet Powerlink數據鏈路層（EPL Datalink layer）

EPL數據鏈路層以標準的以太網CSMA/CD技術（IEEE802.3）為基礎，但是CSMA/CD的工作原理決定了它不能實現通訊的確定性，于是EPL引入SCNM(Slot Communication Network Management)機制，實現了數據通訊的確定性。

SCNM給同步數據和異步數據分配時槽，保證了在同一時間只有一個設備可以占用網絡媒介，從而徹底杜絕了網絡沖突的發生。SCNM由EPL網絡中的管理節點MN（Managing Node）來管理，其他的節點稱為控制節點CN（Controlled Node）。

SCNM規定在一個EPL網絡中只有一個激活的MN，MN配置網絡中所有可用的節點。只有MN可以獨立地發送數據，CN只有在得到MN允許的情況下發送數據。

圖4：SCNM概念

SCNM協議按照一定的規則預先計劃并組織了消息組，一個消息組設為一個EPL循環（見圖2）。在每個循環中可以分為同步階段和異步階段，同步階段每個同步節點占有固定間隔的時槽，由MN輪流訪問，從而實現通訊的確定性。異步階段發送非實時數據，數據傳送由MN調度。

EPL循環可以分為4個階段：開始階段，同步階段，異步階段和空閑階段。每個階段的時間由MN預先配置，長度可以不同。MN隨時監控循環時間，以保證預設的時間不發生沖突。一旦沖突發生，MN自動延續到下一個循環的開始位置。

圖5：EPL循環

圖6：循環時間沖突時MN的處理方式

開始階段：

MN廣播發送Start-of-Cyclic（SoC）幀開始通訊周期。它的發送接收時間作為所有站點時序的基礎。只有SoC幀由時間控制，其他幀由事件控制。

同步階段：

MN發送SoC幀后開始同步數據交換。MN發送指定地址的單向請求幀PollRequest給CN，目標CN廣播發送響應幀PollResponse給其他所有的節點，允許其他所有的節點監控該幀。PollRequest和PollResponse都可以傳輸應用數據。MN循環訪問完同步節點后，MN廣播發送響應幀PollResponse。

異步階段：

MN發送SoA（Start-of-Asynchronous）幀表示異步階段的開始，SoA幀用來標記非激活的CNs，給要發送異步數據的CN令牌，以及給CN發送異步數據的權限。

異步數據的發送由MN進行調度，如果CN要發送異步數據，它在PollResponse幀或StatusResponse幀中通知MN。MN的異步數據調度器會決定在哪個循環可以發送異步幀。這決定了發送請求不會被無限期地拖延，即使在網絡負載很高的情況下。

空閑階段：

空閑階段是異步階段結束和下一個循環開始之間的時間間隔，在這個階段，所有的網絡組件“等待”下一個循環的開始。

“Active”節點的識別

MN配置有網絡中所有節點的列表。MN啟動的時候，所有的CNs被標記為“Inactive”，然后這些CNs被IdentRequest幀（特別的SoA幀）周期訪問。當CN接收到標有自己地址的IdentRequest幀時，它在同一個異步周期中返回響應幀IdentResponse。當MN接收到CN來的響應幀IdentResponse時，該CN被標記為“Active”。

?  Ethernet Powerlink應用層

EPSG組織和CiA(CAN in Automation)合作，把CANopen的EN50325-4規約移植到EPL中來。每一種符合EPL標準的設備都由一個統一的設備模型來描述。設備模型的核心部分是通過對象字典（object Dictionary）對設備功能進行描述。對象字典分為兩部分，第一部分包括基本的設備信息，例如設備ID，制造商，通信參數等等。第二部分描述了特殊的設備功能。一個16位的索引和一個8位的子索引唯一確定了對象字典的入口。通過對象字典的入口可以對設備的"應用對象"進行基本網絡訪問，設備的"應用對象"可以是輸入輸出信號，設備參數，設備功能和網絡變量等。

圖7：EPL應用層設備模型

高同步精度數據通過過程數據對象PDO(Process Data object)進行數據交換。網絡中每個站點都可以讀取PDO，并對它進行處理。PDO最大長度1490字節，最多可以有254個PDO對象。

參數下載，診斷數據等非關鍵數據可以放在服務數據對象（SDO）中傳輸，非同步段的SDO的傳輸遵循客戶端/服務器模式。網絡中任何一個EPL站點都可以通過對象字典（object Dictionary）訪問另一個站點的SDO，數據量的大小沒有限制。同時SDO協議允許標準IP 幀通過UDP/IP通道訪問。這就使得外面的系統通過EPL路由可以直接訪問該設備的對象字典（OD）。

4.     未來展望

Ethernet Powerlink未來的發展方向為安全性和快速性。

現場總線的安全性都朝著智能化的方向發展，EPL也不例外。EPSG正在制定Ethernet Powerlink Safety協議規范，有望在近期推出。EPL Safety以EPL為基礎，著重強調整體安全的概念，主要特點為系統的離散性、靈活性、快速性和開放性。

目前已經發展到了千兆以太網，由于Ethernet Powerlink和以太網有著很好的繼承性，可以預見在不久的將來，千兆工業以太網Ethernet Powerlink會出現在實際的工業應用現場。