1.      引言
　　曾幾何時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)總線方案給自動(dòng)化行業(yè)帶了輝煌的發(fā)展，然而隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，目前的現(xiàn)場(chǎng)總線方案已經(jīng)不能完全適應(yīng)市場(chǎng)的需求，未來對(duì)于自動(dòng)化的解決方案有了新的要求：
　　n    速度相比現(xiàn)場(chǎng)總線有大幅度的提高；
　　n    由于任務(wù)越來越多，越來越復(fù)雜，要求網(wǎng)絡(luò)能夠承載大量的數(shù)據(jù)交換；
　　n    對(duì)不可測(cè)事件的反應(yīng)時(shí)間的要求提高了；
　　n    最大限度的使用標(biāo)準(zhǔn)的，可靠的技術(shù)，以降低開發(fā)成本。
　　于是快速以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入人們的視野，它以至少10倍于現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線的速度（100Mbps）完全滿足了未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于速度的要求，并且技術(shù)成熟可靠。然而快速以太網(wǎng)CSMA/CD的工作原理決定了它不是一個(gè)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)于未來的工業(yè)自動(dòng)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(xiàn)，她以快速以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，開發(fā)出了真正的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)——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(lián)盟成立，2003年6月EPSG協(xié)會(huì)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150,000個(gè)節(jié)點(diǎn)投入使用，超過300個(gè)支持者、供應(yīng)商和終端用戶。
　　2.      Ethernet POWERLINK技術(shù)特點(diǎn)
　　n    單個(gè)網(wǎng)段最多連接240個(gè)實(shí)時(shí)站點(diǎn)；
　　n    真正的確定性通訊
　　       達(dá)到IAONA實(shí)時(shí)等級(jí)4級(jí)（最高等級(jí)）；
　　        快速，100Mbit/s，最小循環(huán)周期200us；
　　       網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)之間精確同步，抖動(dòng)小于1us；
　　n    標(biāo)準(zhǔn)化
　　       底層技術(shù)采用IEEE802.3u，快速以太網(wǎng)；
　

      
　　圖1：抖動(dòng)定義

　　支持IP協(xié)議（TCP，UDP…）；
　　集成CANopen行規(guī)EN50325-4，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互操作性；
　　 基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)芯片，不需要特別的ASICs；
　　n    直接點(diǎn)到點(diǎn)通訊
　　n    支持熱插拔
　　n    支持多CPU解決方案，優(yōu)化負(fù)載，使之大體平衡。

　　圖2：負(fù)載平衡

　　Every Cycle：Station 1，2，3；Multiplexed：Station 4-11
　　-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，支持總線型，星型，樹型，菊花鏈。。。
　　3.      Ethernet POWERLINK技術(shù)原理

　　圖3：EPL參考模型

　　       Ethernet POWERLINK物理層，MAC層：遵循IEEE802.3u，100Base-TX

               Ethernet POWERLINK幀在以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)域里傳輸。

        Ethernet POWERLINK數(shù)據(jù)鏈路層（EPL Datalink Layer）
　　EPL數(shù)據(jù)鏈路層以標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)CSMA/CD技術(shù)（IEEE802.3）為基礎(chǔ)，但是CSMA/CD的工作原理決定了它不能實(shí)現(xiàn)通訊的確定性，于是EPL引入SCNM(Slot Communication Network Management)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通訊的確定性。
　　SCNM給同步數(shù)據(jù)和異步數(shù)據(jù)分配時(shí)槽，保證了在同一時(shí)間只有一個(gè)設(shè)備可以占用網(wǎng)絡(luò)媒介，從而徹底杜絕了網(wǎng)絡(luò)沖突的發(fā)生。SCNM由EPL網(wǎng)絡(luò)中的管理節(jié)點(diǎn)MN（Managing Node）來管理，其他的節(jié)點(diǎn)稱為控制節(jié)點(diǎn)CN（Controlled Node）。
　　SCNM規(guī)定在一個(gè)EPL網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)激活的MN，MN配置網(wǎng)絡(luò)中所有可用的節(jié)點(diǎn)。只有MN可以獨(dú)立地發(fā)送數(shù)據(jù)，CN只有在得到MN允許的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　圖4：SCNM概念

　　SCNM協(xié)議按照一定的規(guī)則預(yù)先計(jì)劃并組織了消息組，一個(gè)消息組設(shè)為一個(gè)EPL循環(huán)（見圖2）。在每個(gè)循環(huán)中可以分為同步階段和異步階段，同步階段每個(gè)同步節(jié)點(diǎn)占有固定間隔的時(shí)槽，由MN輪流訪問，從而實(shí)現(xiàn)通訊的確定性。異步階段發(fā)送非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送由MN調(diào)度。
　　EPL循環(huán)可以分為4個(gè)階段：開始階段，同步階段，異步階段和空閑階段。每個(gè)階段的時(shí)間由MN預(yù)先配置，長(zhǎng)度可以不同。MN隨時(shí)監(jiān)控循環(huán)時(shí)間，以保證預(yù)設(shè)的時(shí)間不發(fā)生沖突。一旦沖突發(fā)生，MN自動(dòng)延續(xù)到下一個(gè)循環(huán)的開始位置。

　　圖5：EPL循環(huán)

　　圖6：循環(huán)時(shí)間沖突時(shí)MN的處理方式

　　開始階段：
　　MN廣播發(fā)送Start-of-Cyclic（SoC）幀開始通訊周期。它的發(fā)送接收時(shí)間作為所有站點(diǎn)時(shí)序的基礎(chǔ)。只有SoC幀由時(shí)間控制，其他幀由事件控制。
　　同步階段：
　　MN發(fā)送SoC幀后開始同步數(shù)據(jù)交換。MN發(fā)送指定地址的單向請(qǐng)求幀PollRequest給CN，目標(biāo)CN廣播發(fā)送響應(yīng)幀PollResponse給其他所有的節(jié)點(diǎn)，允許其他所有的節(jié)點(diǎn)監(jiān)控該幀。PollRequest和PollResponse都可以傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)。MN循環(huán)訪問完同步節(jié)點(diǎn)后，MN廣播發(fā)送響應(yīng)幀PollResponse。
　　異步階段：
　　MN發(fā)送SoA（Start-of-Asynchronous）幀表示異步階段的開始，SoA幀用來標(biāo)記非激活的CNs，給要發(fā)送異步數(shù)據(jù)的CN令牌，以及給CN發(fā)送異步數(shù)據(jù)的權(quán)限。
　　異步數(shù)據(jù)的發(fā)送由MN進(jìn)行調(diào)度，如果CN要發(fā)送異步數(shù)據(jù)，它在PollResponse幀或StatusResponse幀中通知MN。MN的異步數(shù)據(jù)調(diào)度器會(huì)決定在哪個(gè)循環(huán)可以發(fā)送異步幀。這決定了發(fā)送請(qǐng)求不會(huì)被無限期地拖延，即使在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很高的情況下。
　　空閑階段：
　　空閑階段是異步階段結(jié)束和下一個(gè)循環(huán)開始之間的時(shí)間間隔，在這個(gè)階段，所有的網(wǎng)絡(luò)組件“等待”下一個(gè)循環(huán)的開始。
　　“Active”節(jié)點(diǎn)的識(shí)別
　　MN配置有網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的列表。MN啟動(dòng)的時(shí)候，所有的CNs被標(biāo)記為“Inactive”，然后這些CNs被IdentRequest幀（特別的SoA幀）周期訪問。當(dāng)CN接收到標(biāo)有自己地址的IdentRequest幀時(shí)，它在同一個(gè)異步周期中返回響應(yīng)幀IdentResponse。當(dāng)MN接收到CN來的響應(yīng)幀IdentResponse時(shí)，該CN被標(biāo)記為“Active”。
　　Ethernet Powerlink應(yīng)用層
　　EPSG組織和CiA(CAN in Automation)合作，把CANopen的EN50325-4規(guī)約移植到EPL中來。每一種符合EPL標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備都由一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)備模型來描述。設(shè)備模型的核心部分是通過對(duì)象字典（Object Dictionary）對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行描述。對(duì)象字典分為兩部分，第一部分包括基本的設(shè)備信息，例如設(shè)備ID，制造商，通信參數(shù)等等。第二部分描述了特殊的設(shè)備功能。一個(gè)16位的索引和一個(gè)8位的子索引唯一確定了對(duì)象字典的入口。通過對(duì)象字典的入口可以對(duì)設(shè)備的"應(yīng)
　　用對(duì)象"進(jìn)行基本網(wǎng)絡(luò)訪問，設(shè)備的"應(yīng)用對(duì)象"可以是輸入輸出信號(hào)，設(shè)備參數(shù)，設(shè)備功能和網(wǎng)絡(luò)變量等。

　　高同步精度數(shù)據(jù)通過過程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO(Process Data Object)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)站點(diǎn)都可以讀取PDO，并對(duì)它進(jìn)行處理。PDO最大長(zhǎng)度1490字節(jié)，最多可以有254個(gè)PDO對(duì)象。
　　參數(shù)下載，診斷數(shù)據(jù)等非關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以放在服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象（SDO）中傳輸，非同步段的SDO的傳輸遵循客戶端/服務(wù)器模式。網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)EPL站點(diǎn)都可以通過對(duì)象字典（Object Dictionary）訪問另一個(gè)站點(diǎn)的SDO，數(shù)據(jù)量的大小沒有限制。同時(shí)SDO協(xié)議允許標(biāo)準(zhǔn)IP 幀通過UDP/IP通道訪問。這就使得外面的系統(tǒng)通過EPL路由可以直接訪問該設(shè)備的對(duì)象字典（OD）。
　　4.      未來展望
　　Ethernet POWERLINK未來的發(fā)展方向?yàn)榘踩院涂焖傩浴?br>　　現(xiàn)場(chǎng)總線的安全性都朝著智能化的方向發(fā)展，EPL也不例外。EPSG正在制定Ethernet POWERLINK Safety協(xié)議規(guī)范，有望在近期推出。EPL Safety以EPL為基礎(chǔ)，著重強(qiáng)調(diào)整體安全的概念，主要特點(diǎn)為系統(tǒng)的離散性、靈活性、快速性和開放性。
　　目前已經(jīng)發(fā)展到了千兆以太網(wǎng)，由于Ethernet POWERLINK和以太網(wǎng)有著很好的繼承性，可以預(yù)見在不久的將來，千兆工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK會(huì)出現(xiàn)在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)。