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实 时 工 业 以 太 网 Ethernet POWERLINK 技 术 基 础 V2010.03 EPAC(Ethernet POWERLINK 中 国 用 户 组 织 ) Ethernet POWERLINK 市 场 推 广 中 心 田 林 路 487 号 宝 石 园 21 号 楼 200233, 上 海 中 国 电 话 :+86-21-54644803 传 真 :+86-21-33675666 Info.cn@ethernet-powerlink.cn http://www.ethernet-powerlink.cn

内 容 摘 要 : 开 源 实 时 通 信 技 术 Ethernet POWERLINK 是 一 项 在 标 准 以 太 网 介 质 上, 用 于 解 决 工 业 控 制 及 数 据 采 集 领 域 数 据 传 输 实 时 性 的 最 新 技 术 本 文 介 绍 它 的 基 本 原 理 相 关 特 性 如 冗 余 直 接 交 叉 通 信 拓 扑 结 构 安 全 性 设 计, 并 定 义 其 物 理 层 与 介 质 等 内 容 关 键 词 : 实 时 性 直 接 交 叉 通 信 冗 余 技 术 安 全 技 术 时 隙 管 理 多 路 复 用 主 从 结 构 NMT SDO,PDO 1. 工 业 实 时 以 太 网 技 术 1.1 为 什 么 以 太 网 得 到 发 展? 以 太 网 实 在 上 世 纪 70 年 代 后 期 就 已 经 被 开 发 的 网 络 通 信 技 术, 不 像 其 它 系 统, 从 那 时 到 现 在 以 太 网 的 开 发 从 没 间 断, 许 多 公 司 进 行 了 大 量 的 投 资, 以 太 网 技 术 现 在 在 全 世 界 已 经 拥 有 巨 大 的 共 享 知 识 积 累 和 并 在 全 世 界 分 布 以 太 网 是 一 个 电 缆 基 础 的 数 据 网 络 技 术, 它 用 于 本 地 数 据 网 络 LAN, 他 能 够 使 本 地 的 所 有 设 备 数 据 可 以 互 联, 例 如, 计 算 机 打 印 机 的 数 据 采 用 相 同 的 数 据 帧 格 式, 只 是 最 开 始, 传 统 意 义 的 LAN 类 型 是 受 制 于 一 个 独 立 的 建 筑 的, 以 太 网 技 术 现 在 已 经 可 以 互 联 远 程 单 元 的 设 备 了 以 太 网 标 准 定 义 了 一 个 电 缆 和 连 接 器 类 型, 比 特 信 号 在 传 输 层 的 处 理 细 节, 以 及 特 定 包 的 格 式 和 协 议, 参 照 OSI 模 型, 以 太 网 定 义 物 理 层 和 数 据 链 路 层, 以 太 网 或 多 或 少 包 括 IEEE802.3, 自 90 年 代 以 来, 它 逐 渐 成 为 了 最 为 广 泛 使 用 的 LAN 技 术, 并 取 代 其 它 LAN 标 准 例 如 令 牌 环 网 以 及 曾 经 的 工 业 和 工 厂 网 络 技 术 ARCNET, 以 及 在 特 定 应 用 环 境 应 用 的 FDDI, 以 太 网 可 以 作 为 其 它 网 络 协 议 的 基 础 协 议 如 :AppleTalk,DECnet,IPX/SPX, 或 者 TCP/IP 1.2 CSMA/CD 及 它 带 来 什 么 影 响? 1.1CSMA/CD 机 制 运 行 原 理 通 俗 的 讲, 以 太 网 是 依 照 共 享 介 质 机 制 来 运 行 的, 这 意 味 着, 在 任 意 给 定 时 间, 所 有 的 网 络 节 点 可 以 向 其 它 节 点 发 送 和 接 收 其 它 节 点 的 信 号, 每 个 设 备 被 赋 予 了 一 个 独 立 的 MAC 地 址 ( 介 质 访 问 控 制 ), 它 确 保 了 所 有 网 络 节 点 的 确 定 标 识, 为 了 防 止 两 个 节 点 同 时 发 送 数 据 而 导 致 数 据 碰 撞, 以 太 网 使 用 CSMA/CD 机 制 ( 载 波 侦 听 访 问 / 碰 撞 检 测 ), 即, 每 个 节 点 侦 听 网 络, 如 果 它 发 现 网 络 上 没 有 信 号 正 在 传 输 它 就 可 以 发 送, 然 而, 某 个 节 点 仍 然 会 导 致 不 同 节 点 的 并 发 信 号 丢 失, 在 这 种 情 况 下, 碰

撞 检 测 阻 止 该 节 点 的 发 送, 在 一 个 任 意 的 间 隔 过 后, 节 点 尝 试 一 个 新 的 数 据 发 送, 数 据 传 输 没 有 数 据 丢 失, 但 是, 这 会 影 响 速 度 如 果 一 个 设 备 正 在 发 送, 其 它 节 点 保 持 直 到 线 路 清 除, 如 果 两 个 设 备 试 图 在 同 一 个 时 间 发 送 数 据,CSMA/CD 分 配 自 由 等 待 期 给 他 们, 当 这 些 时 间 过 后, 节 点 尝 试 新 的 发 送 因 此, 当 这 个 原 则 赋 予 以 太 网 相 当 大 的 灵 活 性 的 同 时, 也 极 大 的 影 响 了 它 的 速 度 特 性, 结 局 是 碰 撞 和 CSMA/CD 要 求 在 一 个 发 送 中 的 信 号 传 输 滞 后, 而 这 个 滞 后 在 工 业 自 动 化 应 用 是 不 可 接 受 的 CSMA/CD 机 制 在 保 障 以 太 网 数 据 冲 突 的 同 时 影 响 了 数 据 交 换 的 实 时 性 和 确 定 性 1.3 实 时 性 要 求 有 多 快?

实 时 性 与 时 间 间 隔 相 关 - 通 过 定 义, 实 时 性 意 味 着 在 触 发 一 个 事 件 和 它 的 发 生 之 间 的 时 间 间 隔 越 短 越 好, 并 且 这 个 时 间 间 隔 是 可 以 预 先 定 义 的, 应 用 被 设 计 为 最 快 的 时 间 帧, 而 微 小 的 延 迟 不 影 响 需 要 的 输 出, 仅 仅 需 要 软 实 时 实 时 级 别 1 2 3 4 楼 宇 控 制, 监 控 系 统 输 送 系 统, 简 单 回 路 调 节 数 控 机 床, 高 速 过 程 高 动 态 同 步 过 程, 多 轴 同 步 1μ s 10μ s 100 μ s 1ms 10m 100m 刷 新 时 间 / Jitter 在 很 多 工 业 应 用 中, 延 迟 不 能 被 精 确 的 预 先 设 定 可 能 会 导 致 不 可 预 期 的 结 果, 例 如, 现 在 的 伺 服 轴 通 常 的 同 步 速 度 在 16kHz, 给 定 的 控 制 循 环 仅 仅 能 实 现 几 百 个 微 妙, 即 使 信 号 - 数 字 微 妙 范 围 的 延 迟 也 将 使 得 控 制 精 度 打 了 折 扣, 因 此, 这 些 自 动 化 应 用 需 要 硬 实 时 : 所 有 的 链 接 必 须 是 精 确 同 步, 所 有 由 网 络 导 致 的 延 迟 必 须 预 知 并 可 被 预 测 交 换 机 的 使 用 可 以 潜 在 的 降 低 数 据 碰 撞, 这 些 设 备 扮 演 了 智 能 集 线 器 的 作 用, 给 访 问 节 点 注 册 并 路 由 数 据 到 目 标 地 址. 结 果, 数 据 不 再 导 致 线 路 堵 塞,--- 这 降 低 网 络 上 总 的 数 据 碰 撞,-- 交 换 机 缓 冲 数 据 包 并 一 个 接 一 个 的 发 送, 然 而, 交 换 机 导 致 了 数 据 传 输 的 延 迟 并 且 阻 碍 了 实 时 性 因 此, 以 太 网 的 设 计 者 寻 求 一 种 方 案 能 够 实 现 硬 实 时, 设 计 了 不 同 的 方 法 来 保 持 延 迟 发 生 CSMA/CD 一 些 尝 试 改 变 数 据 帧 的 大 小, 另 外 的 添 加 时 间 依 赖 的 交 换 设 备, 或 者 基 于 ASIC 的 位 传 输 层, 然 而, 这 些 方 案, 很 多 背 离 了 以 太 网 标 准, 结 果 是, 用 户 很 难 理 解, 接 受 并 集 成 改 善 到 这 些 系 统 以 太 网 协 议 扩 展 POWERLINK 是 100% 兼 容 标 准 以 太 网 的 协 议, 这 意 味 着 通 信 协 议 完 全 是 基 于 软 件 的, 并 且 不 使 用 任 何 私 有 的 硬 件, 所 有 的 应 用 可 以 使 用 标 准 硬 件 来 实 现,POWERLINK 准 备 与 标 准 以 太 网 的 开 发 来 合 并, 这 将 更 加 开 放, 总 之, 是 最 有 前 途 的 系 统 1.4 实 时 以 太 网 的 应 用 前 景

1.5CANopen CANopen 是 广 为 流 行 的 现 场 协 议, 在 机 械 制 造 领 域 和 自 动 化 领 域 具 有 广 泛 的 应 用, 它 依 赖 于 其 开 放 性 获 得 了 市 场 的 长 足 发 展, 很 多 CANopen 设 备 被 开 发 出 来 并 在 全 世 界 范 围 得 到 大 量 应 用 CANopen 有 着 非 常 完 善 的 数 据 交 换 机 制, 然 而 CAN 总 线 却 有 一 些 局 限 性 使 得 它 无 法 适 应 未 来 更 为 高 速 的 数 据 交 换 应 用 : 带 宽 低 - 即 使 在 距 离 很 短 的 时 候 最 大 能 够 提 供 1Mbps 的 数 据 传 输 速 率 ; 数 据 效 率 低 -CANopen 数 据 帧 无 法 满 足 较 大 的 数 据 量 传 输 需 要 ; 节 点 限 制 -CANopen 无 法 支 持 超 过 64 个 节 点 的 数 据 交 换 ; CANopen 优 势 有 着 完 整 的 SDO PDO 定 义, 非 常 清 晰 2. Ethernet POWERLINK 技 术 鉴 于 以 太 网 的 蓬 勃 发 展 和 CANopen 在 自 动 化 领 域 里 的 广 阔 应 用 基 础,Ethernet POWERLINK 融 合 了 这 两 项 技 术 的 优 点 和 缺 点, 即 拥 有 了 Ethernet 的 高 速 开 放 性 接 口, 以 及 CANopen 在 工 业 领 域 良 好 的 SDO 和 PDO 数 据 定 义, 在 某 种 意 义 上 说 POWERLINK 就 是 Ethernet 上 的 CANopen, 物 理 层 数 据 链 路 层 使 用 了 Ethernet 介 质, 而 应 用 层 则 保 留 了 原 有 的 SDO 和 PDO 对 象 字 典 的 结 构, 这 样 的 好 处 在 于 : POWERLINK 无 需 做 较 多 的 改 动 即 可 实 现 ; 保 护 原 有 投 资 的 利 益 ; 开 放 性 的 接 口 ; POWERLINK 基 础 性 能 指 标 100Mbps 传 输 速 度 - 未 来 提 供 10Ghz 以 太 网 技 术 刷 新 周 期 ( 最 小 )100uS 抖 动 <<1uS 传 输 距 离 :100m/ 节 点 间 距 支 持 任 意 网 络 拓 扑 结 构 实 时 操 作 系 统 非 必 要

轮 询 方 式, 支 持 Client/Server 和 Producer/Consumer 模 式 M12 & RJ45 连 接 头 IEEE802.3 标 准 以 太 网 介 质 传 输 支 持 光 纤 连 接 最 大 每 隔 网 段 支 持 253 个 节 点 2.1 原 理 2.1.1POWERLINK 等 时 同 步 机 制 POWERLINK 的 时 间 槽 管 理 机 制 反 应 了 POWERLINK 的 整 个 控 制 机 制 在 这 个 过 程 中, 遵 循 IEEE1588 分 布 式 时 钟 系 统 标 准, 每 个 设 备 都 将 带 上 时 钟 以 确 保 数 据 交 换 中 的 时 钟 同 步,POWERLINK 的 循 环 周 期 由 两 个 Master 即 管 理 节 点 MN 和 CN(Controlled Node) 也 称 为 从 站 Slave 构 成, 在 上 电 后,POWERLINK 主 站 发 布 配 置 信 息 给 每 个 从 节 点, 然 后 发 布 SoC 同 步 开 始 帧, 每 个 从 节 点 接 收 到 SoC 后 开 始 进 入 数 据 通 信 等 待 状 态, 在 SoC 后,MN 发 送 PReq1 到 第 一 个 节 点,Preq1 收 到 后 发 送 PRs1 到 网 络 上 并 以 广 播 形 式 发 布, 然 后 MN 发 送 PReq2 给 第 二 个 节 点, 然 后 第 二 个 节 点 发 送 PRs2 给 网 络, 如 此 序 列 将 到 PRsN 后 结 束,MN 再 发 送 SoA 代 表 异 步 通 信 阶 段 开 始, 异 步 数 据 在 这 个 SoA 后 开 始 发 送 到 网 络, 整 个 过 程 称 为 一 个 POWERLINK 循 环 帧, 它 由 等 时 同 步 阶 段 和 异 步 阶 段 构 成, 这 些 均 可 配 置 时 间 2.1.2 多 路 复 用 机 制 为 了 提 升 网 络 效 率,POWERLINK 采 用 了 多 路 复 用 机 制 来 处 理 节 点 数 较 大 的 情 况, 通 过 网 络 配 置, 将 系 统 设 备 划 分 为 快 速 设 备 与 慢 速 设 备, 对 于 快 速 设 备 可 以 在 每 个 等 时 同 步 阶 段 进 行 数 据 刷 新, 而 对 于 慢 速 设 备 可 以 每 隔 1~N 个 周 期 进 行 刷 新, 这 样, 即 可 缩 短 整 个 系 统 在 每 隔 POWERLINK 周 期 里 的 时 间 槽 数, 即 使 对 于 大 量 应 用 的 节 点 也 可 以 通 过 此 种 优 化 方 式 来 提 高 整 体 的 效 率, 因 此, 从 这 个 角 度 来 说,POWERLINK 是 非 常 具 有 灵 活 性 和 实 用 性 的

2.1.3PRC 技 术 PRC-Poll Request Chianing Technology- 轮 询 序 列 技 术 原 有 的 POWERLINK 轮 询 过 程 是 SoC 对 表,MN 发 送 Preq 请 求 CN1~CNn, 每 个 CN 接 受 到 请 求 后 则 Pres 响 应 并 广 播 数 据 到 网 络 上, 这 个 过 程 里 存 在 的 问 题 在 的 问 题 在 于 Preq 和 Pres 的 反 复 握 手 过 程, 而 PRC 技 术 则 取 消 了 这 个 握 手, 在 Preq 后 每 个 节 点 不 再 握 手 而 直 接 进 行 数 据 发 送, 这 是 因 为 每 个 节 点 都 带 有 分 布 式 时 钟 经 过 此 种 方 式, 整 个 POWERLINK 网 络 的 传 输 效 率 提 高 至 少 40%, 对 于 80 个 POWERLINK 节 点 ( 其 中 伺 服 轴 为 40 个,I/O 站 为 40 个, 包 含 1000 个 I/O 通 道 ) 的 测 试 结 果 为 800uS 2.2POWERLINK 网 络 架 构

由 上 图 可 知,MAC 层 和 PHY 均 是 标 准 的 以 太 网, 在 数 据 链 路 层 POWERLINK 做 了 修 改 和 调 整, 并 在 处 理 器 中 运 行 了 POWERLINK SCNM 循 环 控 制 的 协 议 栈, 由 NMT 对 网 络 状 态 进 行 管 理,POWERLINK 状 态 包 括 启 动 运 行 停 止 等 待 多 个 状 态,NMT 负 责 对 网 络 的 设 备 进 行 管 理,SDO 和 PDO 分 别 作 为 网 络 配 置 与 实 时 数 据 的 接 口, 由 应 用 软 件 提 供 与 之 匹 配 的 数 据 接 口, 此 依 据 CANopen 的 SDO 和 PDO 对 象 字 典 来 实 现 2.3 功 能 2.3.1 直 接 交 叉 通 信 交 叉 通 信 意 味 着 控 制 节 点 之 间 可 以 交 换 数 据, 而 无 需 通 过 主 站 (Master) 同 标 准 以 太 网 的 设 备 一 样,POWERLINK 上 的 节 点 遵 循 Producer/Consumer 机 制, 在 网 络 上 广 播 数 据 通 过 检 测 数 据 帧 地 址, 节 点 判 断 它 们 是 否 应 该 予 以 回 应 如 果 给 出 一 个 适 合 的 配 置, 控 制 节 点 也 可 以 理 解 其 它 节 点 返 回 的 命 令 交 叉 通 信 的 数 据 可 以 被 控 制 器 管 理 的 节 点 同 步 这 种 柔 性 是 使 得 它 领 先 其 它 的 Master/Slave 概 念, 可 以 实 现 大 型 模 块 化 机 器 设 计 的 网 络 要 求 在 很 多 模 块 内 部, 或 多 或 少 存 在 节 点 间 的 单 独 通 信, 这 是 模 块 的 一 部 分 每 一 个 模 块 都 有 一 个 节 点, 负 责 调 整 模 块 内 的 通 信, 以 及 和 其 他 模 块 的 通 信 然 而, 在 系 统 里, 这 些 模 块 主 站 PLCs 或 I/O 设 备, 普 遍 只 被 看 作 控 制 节 点 因 此, 这 些 模 块 基 本 上 可 以 自 行 运 行, 而 管 理 节 点 主 要 负 责 网 络 管 理 和 模 块 间 的 同 步 另 外, 用 户 可 能 已 经 感 受 到 交 叉 通 信 的 好 处 了, 即 使 在 不 复 杂 的 应 用 中, 例 如, 在 印 刷 机 中, 所 有 驱 动 器 的 旋 转 编 码 器 都 与 一 个 主 编 码 器 同 步, 这 是 一 个 简 单 且 有 效 的 方 法, 无 需 分 布 式 时 钟 或 其 他 工 具 交 叉 通 信 的 好 处 在 于 省 时, 系 统 简 单, 控 制 任 务 少, 在 很 多 场 合, 它 允 许 使 用 更 经 济 的 控 制 器 它 的 好 处 在 于 : 中 央 和 非 中 央 控 制 设 计 ( 集 中 或 分 布 式 控 制 设 计 ) 控 制 器 - 控 制 器 通 信 主 轴 直 接 给 从 轴 设 定 值 编 码 器 值 的 直 接 传 递 直 接 事 件 传 播 减 少 主 站 负 载 或 者 应 用 负 载

多 种 模 式, 最 小 的 数 据 负 载 具 有 分 散 式 安 全 设 计 能 力 2.3.2POWERLINK Safety 是 满 足 IEC61508 的 SIL3 和 PL e 等 级 的 机 器 安 全 网 络 POWERLINK 使 用 了 SCM 来 与 应 用 软 件 进 行 接 口, 以 接 收 来 自 控 制 系 统 对 于 网 络 的 配 置 与 参 数 的 上 传 下 载, 而 通 过 SOD 来 实 现 数 据 对 象 字 典 的 接 口, 与 应 用 进 行 接 口, 传 输 SPDO 这 种 实 时 性 要 求 较 高 的 安 全 数 据, 而 SSDO 则 是 服 务 数 据 可 以 通 过 异 步 阶 段 进 行 传 输 SNMT 则 对 网 络 状 态 进 行 监 控, 与 POWERLINK NMT 不 同 的 是,SNMT 增 加 了 一 个 新 的 状 态 来 延 伸 系 统 的 能 力

2.3.3 开 放 的 诊 断 工 具 POWERLINK 可 以 使 用 开 放 的 Ethernet 诊 断 工 具 如 Wireshark 以 及 CANopen 的 配 置 工 具, 另 外, 由 EPSG 组 织 同 时 提 供 开 源 的 openconfigurator 来 进 行 网 络 的 配 置, 这 些 都 使 得 使 用 POWERLINK 技 术 的 厂 商 无 需 再 额 外 的 开 发 特 殊 的 配 置 与 诊 断 工 具 2.3.4 冗 余 支 持 能 力 Powerlink 并 非 由 一 家 公 司 来 完 成 的, 其 中 POWERLINK 的 冗 余 设 计 最 大 的 贡 献 来 自 于 Alstom, 这 家 公 司 是 在 电 力 与 交 通 领 域 的 大 型 跨 国 企 业, 他 们 在 研 发 其 电 力 系 统 时 选 择 了 POWERLINK 作 为 其 高 可 用 性 网 络 的 设 计 Alstom 冗 余 模 式 是 按 照 如 下 设 计 的 : 两 个 或 更 多 的 冗 余 管 理 节 点 (RMN) 在 网 络 层 次 的 顶 端, 只 有 一 个 作 为 主 动 管 理 节 点 AMN, 其 它 保 持 Stand-by(SMN) 状 态 并 扮 演 一 个 受 控 节 点 SMN 和 CN 的 唯 一 不 同 在 于 SMN 持 续 的 监 控 所 有 网 络 及 CN 功 能, 在 紧 急 情 况 下, 这 能 使 得 SMN 具 有 AMB 功 能 作 为 网 络 内 的 一 个 RMN, 每 个 RMN 必 须 能 够 配 置 所 有 网 络 设 备, 其 它 RMN 也 不 例 外 这 个 冗 余 模 式 允 许 一 个 大 范 围 的 拓 扑 方 式 RMN 可 以 通 过 HUB 访 问 一 个 简 单 的 网 络 层, 一 个 可 行 的 设 计 是 将 RMN 和 CN 放 在 一 个 环 形 内, 封 闭 了 网 络 结 构 内, 第 三 个 对 阿 尔 斯 通 有 利 的 方 面 包 括 冗 余 数 据 线, 能 够 保 护 总 线 不 仅 在 MN 失 效, 而 且 在 总 线 电 缆 失 效 和 故 障 的 情 况 下 运 行 网 络 管 理 状 态 阿 尔 斯 通 的 开 发 者 们 必 须 进 行 很 多 针 对 网 络 状 态 的 改 变, 以 能 够 使 得 系 统 集 成 多 个 冗 余 管 理 站, 由 于 POWERLINK 最 初 只 允 许 对 一 个 MN 进 行 操 作, 网 络 管 理 站 NMT 是 一 个 基 于 CAN Open 的 监 测 及 控 制 服 务 每 个 网 络 设 备 有 一 个 NMT 状 态 机 器, 这 可 以 提 供 从 MN 的 NMT 主 站 获 得 请 求 及 操 作 状 态 信 息, 定 义 了 四 个 状 态 分 别 是, 初 始 化, 预 操 作, 可 操 作 和 停 止, 在 初 始 化 阶 段, 不 允 许 设 备 启 动 并 且 激 活 网 络, 在 预 操 作 阶 段, 设 备 对 网 络 参 数 进 行 同 步, 但 是 还 不 能 开 始 传 输 数 据, 可 操 作 表 示 单 元 完 全 可 操 作 的, 停 止 意 味 着 设 备 从 网 络 断 开, 只 接 受 一 个 NMT 指 令, 为 了 冗 余 操 作,MN 可 以 在 任 何 时 候 承 担 控 制 功 能, 编 程 者 增 加 一 个 第 五 状 态 (Stand By) 给 NMT 状 态 机 器, 在 预 操 作 阶 段,RMN 检 查 总 线 状 态, 如 果 没 有 相 关 的 信 号 被 侦 测 到, 它 就 切 换 到 激 活 模 式, 并 且 扮 演 一 个 AMN 功 能, 如 果 RMN 检 测 到 网 络 活 动, 它 就 会 在 操 作 模 式 切 换 到 等 待 模 式, 但 是 将 会 以 一 个 标 准 CN 进 入 系 统

连 接 选 择 器 除 了 堆 栈 更 换, 阿 尔 斯 通 的 专 家 们 开 发 了 连 接 选 择 器, 这 个 创 新 使 得 网 络 能 够 对 冗 余 数 据 线 进 行 操 作 与 HUB 相 似, 它 连 接 了 数 据 行 输 入 和 受 控 节 点, 扮 演 了 一 个 关 联 操 作 者 的 角 色, 并 且 将 信 号 输 送 线 与 CN 相 连, 如 果 一 个 线 路 中 断, 开 关 切 换 到 另 一 个 电 缆 断 掉 也 能 通 过 连 接 选 择 器 发 送 信 息 来 定 位 应 用 在 完 成 所 有 模 式 及 技 术 开 发 后, 阿 尔 斯 通 进 入 一 个 仿 真 阶 段, 在 阿 尔 斯 通 的 工 业 化 安 装 中, 系 统 是 否 能 够 适 应 特 殊 过 程 必 须 通 过 基 于 计 算 机 模 式 进 行 验 证 重 中 之 重, 仿 真 确 定 我 们 的 初 步 估 计, 这 展 现 了 100Mbps 以 太 网 足 以 满 足 数 据 负 载 的 要 求 结 果 是, 我 们 创 造 了 丰 富 的 特 殊 过 程, 并 测 试 了 在 这 些 情 况 下 的 系 统 功 能,Potier 描 述 了 这 个 漫 长 的 仿 真 阶 段, 我 们 不 能 在 确 认 之 前 投 入 操 作, 除 非 它 如 我 们 所 愿 的 那 样 工 作 由 于 POWERLINK 通 常 设 计 为 双 口 Hub 的 形 式 在 控 制 器 驱 动 器 上, 那 么 就 可 以 采 用 一 进 一 出 的 方 式 进 行 连 接, 将 末 位 的 一 个 重 新 连 接 回 到 第 一 个 主 站 构 成 一 个 环 形 通 信 冗 余, 这 样 即 使 产 生 网 络 的 中 断, 那 么, 系 统 仍 然 可 以 重 新 自 动 配 置 网 络 成 为 一 个 线 性 的 网 络 来 进 行 数 据 传 输, 总 有 一 条 路 是 可 以 给 你 选 的 3.POWERLINK 技 术 实 现 作 为 opensource Techonology,POWERLINK 技 术 可 以 提 供 给 各 个 自 动 化 组 件 制 造 商 来 使 用, 任 何 加 入 Ethernet POWERLINK 组 织 的 成 员 个 人 均 可 使 用 此 open Source 技 术, 获 得 源 代 码 并 据 自 己 实 际 开 发 其 自 身 应 用 3.1FPGA 实 现 框 架 与 其 它 的 实 时 总 线 基 于 ASIC 不 同,POWERLINK 可 采 用 通 用 的 芯 片 来 实 现, 如 ARM,FPGA, 多 协 议 芯 片 如 Hilscher 的 Net X 芯 片, 以 及 龙 芯 等, 相 较 而 言, 基 于 FPGA 的 实 现 可 以 实 现 更 高 的 实 时 性 能, 例 如 ALTERA 和 XILINX 的 通 用 FPGA 芯 片 即 可, 基 于 FPGA 可 以 达 到 200uS 的 系 统 刷 新 能 力, 因 此 FPGA 为 主 推 的 POWERLINK 实 现 由 B&R 提 供 的 FPGA 从 站 方 案

基 础 FPGA 从 站 设 计 框 架 基 于 FPGA 的 POWERLINK 从 站 硬 件 参 考 电 路 技 术 支 持 : POWERLINK 中 国 用 户 组 织 -021-54644803, info.cn@ethernet-powerlink.cn

3.2POWERLINK 主 站 实 现 POWERLINK 是 一 个 软 协 议, 可 以 运 行 在 各 种 操 作 系 统 平 台 上, 也 可 以 直 接 运 行 在 标 准 PC 上 即 可, 下 图 即 显 示 了 一 个 标 准 PC 上 的 POWERLINK 主 站, 可 以 访 问 B&R X20 分 布 式 I/O 系 统, 也 可 以 访 问 其 它 POWERLINK 从 站 如 传 感 器 和 变 频 器 设 备 这 是 POWERLINK 最 简 单 的 实 现 方 法, 但 是, 这 个 方 法 下 依 赖 于 平 台, 如 Windows CE Embedded RT-Linux, 相 对 而 言, 这 些 应 用 的 刷 新 周 期 要 在 ms 级,RT-Linux 可 实 现 较 快 的 速 度, 但 是 要 根 据 系 统 的 裁 剪 而 定, 也 可 以 达 到 us 级 的 周 期 时 间 4.Ethernet POWERLINK 应 用 前 景 4.1.CNC 与 机 器 人 在 机 器 人 系 统 中, 为 了 实 现 机 器 人 动 作 的 变 化, 需 要 对 其 进 行 路 径 规 划 的 算 法 设 计, 由 于 机 器 人 的 各 个 关 节 的 机 械 参 数 的 不 同, 例 如 各 机 械 臂 长 度, 工 作 范 围 限 制, 机 械 当 前 位 置 的 差 异, 路 径 规 划 需 要 确 保 机 械 执 行 能 够 具 有 最 快 的 到 达 指 定 位 置, 而 又 每 个 轴 具 有 较 低 的 机 械 振 动, 并 且 在 运 行 过 程 中 及 时 反 馈 当 前 信 息, 以 为 下 一 步 的 执 行 提 供 参 考, 这 一 运 动 过 程 需 要 高 速 的 数 据 通 信 来 建 立 轴 与 轴 之 间 的 位 置 关 系 的 绑 定, 这 对 通 信 提 出 了 更 高 的 要 求, 实 时 通 信 在 机 器 人 系 统 里 得 到 了 最 为 现 实 的 应 用 同 样 的 道 理,CNC 系 统 的 工 作 是 将 插 补 信 息 通 过 总 线 传 递 给 每 个 伺 服 轴, 在 整 个 CNC 系 统 里, 由 于 精 度 速 度 和 时 间 具 有 如 下 的 关 系 : ds=dv*dt 位 置 的 精 度 = 速 度 的 变 化 * 时 间 而 为 了 保 证 高 精 度 和 高 速, 则 dt 值 将 需 要 足 够 小, 这 是 为 什 么 在 CNC 系 统 里 需 要 更 高 的 通 信 速 度 的 原 因, 另 外 一 个 值 得 注 意

的 是, 传 统 的 CNC 系 统 的 速 度 环 控 制 往 往 运 行 在 主 CPU 上, 反 馈 元 件 如 编 码 器 数 据 回 到 CNC 上 位 系 统, 使 得 对 于 CNC 系 统 而 言, 除 了 计 算 插 补, 也 要 计 算 速 度 和 位 置 环, 这 使 得 对 于 高 速 系 统 达 到 us 级 的 刷 新 要 求, 在 专 用 的 系 统 里 这 一 速 度 甚 至 达 到 31.625uS 或 62.5uS, 由 于 智 能 型 伺 服 驱 动 器 的 出 现, 速 度 与 位 置 环 的 计 算 可 以 在 分 布 式 伺 服 本 地 执 行, 使 得 这 一 对 总 线 的 需 求 降 低, 但 是, 仍 然 要 达 到 百 微 秒 级 的 刷 新 要 求 4.2. 高 速 多 轴 系 统 应 用 随 着 无 轴 传 动 技 术 的 使 用, 在 产 业 机 械 的 各 个 领 域 如 包 装 印 刷 纺 织 塑 料 等 领 域, 为 了 降 低 传 统 的 机 械 长 轴 通 过 蜗 轮 蜗 杆 方 式 传 递 所 带 来 的 机 械 磨 损 造 成 的 偏 差, 以 及 为 了 更 为 灵 活 的 工 艺 切 换, 无 轴 传 动 技 术 得 到 了 更 为 广 泛 的 应 用, 这 些 系 统 为 了 实 现 各 个 运 动 轴 之 间 的 高 速 同 步, 需 要 由 一 个 高 速 总 线 来 实 现 各 个 轴 之 间 的 速 度 与 位 置 关 系 按 照 一 个 工 艺 需 求 的 曲 线 或 同 步 关 系 来 执 行, 通 常 这 一 需 求 在 百 微 秒 级, 这 需 要 与 伺 服 系 统 的 位 置 环 相 匹 配, 目 前 智 能 型 的 伺 服 系 统 的 位 置 环 计 算 已 经 达 到 400uS 甚 至 更 低 的 周 期 时 间, 这 也 使 得 通 信 必 须 在 这 个 级 别 上 与 之 匹 配 可 以 包 括 的 应 用 领 域 包 括 : 印 刷 机 械 无 轴 传 动 系 统 啤 酒 饮 料 灌 装 系 统 全 电 动 注 塑 成 型 与 中 空 成 型 系 统 流 延 膜 生 产 线 化 纤 设 备 高 速 卷 绕 棉 纺 粗 纱 细 纱 机 婴 儿 / 成 人 纸 尿 裤 生 产 线 轮 胎 成 型 与 裁 断 系 统 单 晶 硅 / 多 晶 硅 多 线 切 割 机 这 些 高 速 的 应 用 系 统 里,Ethernet POWERLINK 的 优 越 性 已 经 体 现 无 疑, 并 在 继 续 延 伸 其 在 多 轴 高 速 运 动 控 制 系 统 的 应 用 领 域 4.3. 航 空 与 高 铁 测 试 系 统 的 时 序 分 析 除 了 机 器 人 与 机 械 系 统 高 速 同 步 需 求 外, 高 速 测 试 系 统 对 于 数 据 交 换 的 确 定 性 提 出 了 要 求, 为 了 确 保 在 系 统 故 障 时 对 于 各 个 子 系 统 和 传 感 器 等 数 据 的 时 序 进 行 分 析, 以 使 得 工 程 师 可 以 分 析 导 致 系 统 故 障 的 各 个 原 因, 需 要 对 于 数 据 的 确 定 性 得 到 保 障, 这 也 是 实 时 以 太 网 的 最 关 键 应 用,Ethernet POWERLINK 由 于 采 用 了 满 足 IEEE1588 时 钟 系 统 设 计, 并 且 每 个 系 统 刷 新 过 程 都 需 要 精 确 对 时 并 给 每 个 数 据 包 打 上 时 间 戳, 通 过 测 试 软 件 可 以 监 控 到 每 个 数 据 包 的 发 送 时 序, 从 而 为 系 统 诊 断 与 调 试 提 供 可 靠 的 数 据 分 析 基 础 机 载 测 试 系 统 高 铁 信 号 采 样 系 统 4.4. 安 全 (Safety) 应 用 POWERLINKsafety 是 经 过 TUV 认 证 的 满 足 IEC61508 标 准 和 并 且 成 为 IEC61784-3 标 准, 这 使 得 它 成 为 具 有 经 过 严 格 认 证 的 安 全 技 术 标 准, 由 于 其 独 特 的 双 CRC 校 验 设 计, 使 得 其 在 保 证 数 据 交 换 的 完 整 性 方 面 优 势 突 出 带 有 时 间 戳 的 数 据 包 确 保 了 数 据 重 复 插 入 与 时 序 混 乱 的 产 生, 所 有 安 全 相 关 数 据 均 在 实 时 监 控 之 下, 类 似 一 个 看 门 狗 的 设 计 保 证 了 数 据 不 被 丢 失 和 延 迟, 独 特 的 帧 设 计 保 证 其 不 会 造 成 安 全 帧 与 其 他 数 据 帧 产 生 混 乱 在 未 来, 安 全 技 术 将 会 成 为 关 注 的 重 点, 一 方 面, 人 性 化 的 系 统 设 计 要 保 护 人 的 生 命 与 免 除 机 械 伤 害, 而 另 一 方 面 保 护 机 器 的 设 备 投 资 也 变 得 更 加 重 要, 在 以 下 领 域 里 Safety 技 术 将 发 挥 更 大 的 效 能 : 汽 车 生 产 与 制 造 ; 轮 胎 生 产 线 ; 具 有 裁 切 装 置 的 机 械 设 备 如 印 刷 后 道 卷 筒 纸 切 纸 机 构 ; 风 力 发 电 机 组 ; 塑 料 机 械 ;

啤 酒 饮 料 灌 装 系 统 ; 纺 织 机 械 如 经 编 机 碳 纤 维 卷 绕 ; 物 流 输 送 系 统 ; 大 型 锻 压 与 铸 造 设 备 ; 数 控 机 床 5. 实 时 工 业 以 太 网 的 未 来 -- 我 们 是 否 回 到 过 去? 传 统 的 现 场 总 线 之 所 以 受 到 Ethernet 技 术 的 冲 击, 在 于 Ethernet 技 术 相 对 于 传 统 总 线 技 术 更 好 的 开 放 性, 以 及 通 用 的 硬 件 芯 片 支 持 丰 富 的 功 能 软 件 应 用 支 持, 这 使 得 它 获 得 了 长 足 的 进 步, 而 今 天, 各 种 实 时 以 太 网 技 术 又 在 继 续 使 用 ASIC 技 术, 这 一 私 有 技 术 来 实 现 高 速 的 实 时 通 信, 这 将 带 来 以 下 问 题 : 1. 技 术 上 受 制 于 私 有 技 术 的 影 响