基于ehernepovalne的工業(yè)以太網(wǎng)

0通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)名技術(shù),使之成為工業(yè)領(lǐng)域的共識(shí)在多標(biāo)準(zhǔn)、多要素、多網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)背景下，網(wǎng)絡(luò)正逐步向自動(dòng)化發(fā)展。以太網(wǎng)是IT業(yè)最主要的局域網(wǎng)技術(shù),它的優(yōu)勢(shì)明顯表現(xiàn)在技術(shù)積累、資本積累以及發(fā)展動(dòng)力和空間等各個(gè)方面。以太網(wǎng)速度的一再提高,加上引入全雙工交換技術(shù)、虛擬網(wǎng)技術(shù)以及改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等,使以太網(wǎng)大踏步地走到工業(yè)自動(dòng)化前臺(tái),ProfiNet、HSE、Modbus/TCP、Ethernet/IP等都已經(jīng)大量成功應(yīng)用。用以太網(wǎng)構(gòu)建工業(yè)企業(yè)信息層、控制層等中上層網(wǎng)絡(luò),已經(jīng)成為行業(yè)共識(shí)。以太網(wǎng)是否可以向下延伸,應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,一直是近年來(lái)工控行業(yè)的一個(gè)爭(zhēng)論焦點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。為了保護(hù)已有投資和技術(shù),各大廠商推出的以太網(wǎng)產(chǎn)品只是對(duì)已有現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品做邊緣性修改,而且諸多技術(shù)主要是針對(duì)上層網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上,降低沖突域和提高以太網(wǎng)速度還沒(méi)有根本解決以太網(wǎng)確定性問(wèn)題,但是這對(duì)于工業(yè)底層設(shè)備至關(guān)重要。本文介紹一種確定性工業(yè)以太網(wǎng)——EthernetPowerlink(以下稱Powerlink),它成功地將以太網(wǎng)技術(shù)推進(jìn)到了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。1通過(guò)權(quán)能系統(tǒng)的ink技術(shù)特點(diǎn)Powerlink標(biāo)準(zhǔn)化組織(EthernetPowerlinkStandardizationGroup,EPSG)成員包括ABB(Robotics)、B&R、Hirschmann、Kuka、Lenze等20幾家工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)、研發(fā)機(jī)構(gòu)。2001年德國(guó)B&R公司率先提出Powerlink技術(shù)。Powerlink的目標(biāo)是確定性、實(shí)時(shí)性工業(yè)以太網(wǎng)。Powerlink主要有兩個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn):一方面是能夠與IT技術(shù)無(wú)縫連接,可以繼續(xù)應(yīng)用IP協(xié)議族(HTTP、TELNET、FTP等);另一方面,開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧取代傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧,從根本上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的有效控制和管理。Powerlink在通信管理上引入了管理節(jié)點(diǎn)(Managingnode)和控制節(jié)點(diǎn)(Controlnode)的概念。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)有唯一的管理節(jié)點(diǎn),在管理節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一調(diào)度下,管理節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)之間、以及控制節(jié)點(diǎn)之間的通信周期地進(jìn)行。每個(gè)通信周期可以有對(duì)應(yīng)的時(shí)間域用于傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流。隨著工業(yè)以太網(wǎng)大踏步進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,Powerlink技術(shù)快速發(fā)展,EPSG已經(jīng)成功地開發(fā)出系列產(chǎn)品,應(yīng)用于機(jī)械加工、制造等要求苛刻的一系列領(lǐng)域。該組織對(duì)第3方開放協(xié)議,并在其網(wǎng)站公布技術(shù)進(jìn)展。2003年10月EPSG正式向國(guó)際IEC組織提交技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),積極推進(jìn)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化。2綜合管道模型、管理系統(tǒng)和工作模式的構(gòu)建2.1中間層和采用的強(qiáng)制使用Powerlink通信模型與OSI參考模型對(duì)照情況如表1所示。Powerlink的通信模型采用了3層結(jié)構(gòu):底層包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的媒體訪問(wèn)控制部分,采用了快速工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(IEEE802.3u);中間層作為數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)層,具體規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制;Powerlink在頂層規(guī)定了應(yīng)用層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),以保證不同廠商設(shè)備產(chǎn)品的互操作性。Powerlink數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)采用了標(biāo)準(zhǔn)快速工業(yè)以太網(wǎng)的幀頭、幀尾以及CRC校驗(yàn)等,如圖1所示。在14個(gè)字節(jié)的以太網(wǎng)幀頭之后,是實(shí)際的Powerlink數(shù)據(jù)流,包括服務(wù)標(biāo)識(shí)(Serviceidentifier,SID)、目標(biāo)地址(DestinationAddress,DA)和源地址(SourceAddress,SA)等。在以太網(wǎng)幀頭中有2個(gè)字節(jié)的Entertype保留位,一般用于識(shí)別通信協(xié)議。Powerlink利用Entertype識(shí)別所接收的數(shù)據(jù)流類型。2.2基于不斷信息的窄道通信如前所述,管理節(jié)點(diǎn)對(duì)Powerlink網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)度。所有控制節(jié)點(diǎn)在管理節(jié)點(diǎn)上登記組態(tài),得到允許后才能發(fā)送數(shù)據(jù),從根本上避免了數(shù)據(jù)沖突。管理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)為各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)通信分配時(shí)間信道,對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),信道時(shí)間較窄,可以精確管理;對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包,首先拆成小包(長(zhǎng)度可以設(shè)置,典型值為256字節(jié)),然后納入相應(yīng)信道進(jìn)行管理,因而數(shù)據(jù)也是確定性的。這種通信管理方式稱為窄道通信網(wǎng)絡(luò)管理(SlotCommunicationNetworkManagement,SCNM)。窄道通信周期包括起始域(Start-Period)、周期域(Cyclic-Period)、異步域(AsynchronPeriod)和空閑域(Idle-Period)4個(gè)時(shí)間域,如圖2所示。在周期起始數(shù)據(jù)流(StartofCyclic,SoC)之后,管理節(jié)點(diǎn)在周期域依次向每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送輪詢(PollRequest,PRq),控制節(jié)點(diǎn)收到輪詢后發(fā)送響應(yīng)報(bào)文(PollResponse,PRs),每個(gè)周期域有結(jié)束數(shù)據(jù)流(EndofCyclic,EoC)。輪詢和響應(yīng)報(bào)文都可以包含應(yīng)用數(shù)據(jù),但是輪詢只是從管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目標(biāo)控制節(jié)點(diǎn),響應(yīng)報(bào)文則以廣播形式進(jìn)行發(fā)布,在這種情況下系統(tǒng)可以適應(yīng)發(fā)布者/訂閱者(Publisher/Subscriber)通信方式。Powerlink通過(guò)特定的節(jié)點(diǎn)識(shí)別數(shù)據(jù)流來(lái)識(shí)別在線節(jié)點(diǎn)。在線節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換請(qǐng)求在調(diào)度隊(duì)列中進(jìn)行登記。當(dāng)確認(rèn)隊(duì)列中沒(méi)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換需要時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入異步時(shí)間域。異步通信主要傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流。管理節(jié)點(diǎn)查詢異步數(shù)據(jù)請(qǐng)求隊(duì)列,發(fā)送異步數(shù)據(jù)發(fā)送邀請(qǐng)(Invite)。異步數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)窄道通信發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文會(huì)在接收節(jié)點(diǎn)還原成原始數(shù)據(jù)包。管理節(jié)點(diǎn)以廣播形式發(fā)布通信周期起始數(shù)據(jù)流,控制節(jié)點(diǎn)以接收該數(shù)據(jù)流時(shí)間作為時(shí)間基準(zhǔn)。在窄道通信中,起始數(shù)據(jù)流的發(fā)送由系統(tǒng)時(shí)間控制,而其它數(shù)據(jù)通信靠事件觸發(fā)。2.3三種工作模式Powerlink工作模式分為開放模式、保護(hù)模式和基本以太網(wǎng)模式,三種模式之間可以方便切換。(1)采用混合網(wǎng)絡(luò)開放模式允許Powerlink網(wǎng)絡(luò)中直接連接標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備,即不需要分離的網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備可以直接訪問(wèn)Powerlink節(jié)點(diǎn)。這時(shí)候,系統(tǒng)通信周期為ms級(jí),網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)時(shí)間(Jitter)在10μs左右。這種模式下可以使用以太網(wǎng)交換機(jī)。(2)最小通信模式保護(hù)模式需要網(wǎng)絡(luò)分離,即標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)訪問(wèn)Powerlink節(jié)點(diǎn)。這種模式下系統(tǒng)最小通信周期為200μs,網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)時(shí)間小于1μs,可以適應(yīng)更為苛刻的實(shí)時(shí)性要求。由于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)及切換時(shí)間的遲延和不確定性,保護(hù)模式不允許使用以太網(wǎng)交換機(jī),只能使用基于數(shù)據(jù)鏈路層的集線器。(3)基本的網(wǎng)絡(luò)模式這時(shí)候Powerlink節(jié)點(diǎn)就成為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備。3入油氣生物通信電路設(shè)計(jì)典型的Powerlink網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示,儀表設(shè)備(可以是各種PLC、遠(yuǎn)程I/O、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及PC設(shè)備等)中嵌入Powerlink通信電路單元即可以成為Powerlink設(shè)備。Powerlink單元的具體實(shí)現(xiàn)不需要特殊的芯片,在文獻(xiàn)中給出了一種基于ARM7TDMI內(nèi)核的硬件原理圖和協(xié)議棧代碼段、數(shù)據(jù)段內(nèi)存要求等。開放模式網(wǎng)段中可以用交換機(jī)和集線器構(gòu)成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。保護(hù)模式網(wǎng)段中只能用集線器構(gòu)成樹型和線形網(wǎng)絡(luò),集線器要求為單速HUB,級(jí)聯(lián)最大允許數(shù)量為10。4工業(yè)聯(lián)網(wǎng)將向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層發(fā)展根據(jù)ARCAdvisoryGroup2003年發(fā)布的市場(chǎng)報(bào)告,工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在過(guò)去2年中每年有超過(guò)50%的成長(zhǎng)率,今后的5年更將以平均84%的復(fù)合成長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)。在這樣的環(huán)境下,將工業(yè)以太網(wǎng)推向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層更加具有重要意義。設(shè)備層工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展得益于嵌入式系統(tǒng)軟硬件性能的成熟和提高,嵌入式系統(tǒng)的迅猛發(fā)展將繼續(xù)提供