基于ehernepovalne的工業以太網

0通過網絡實名技術,使之成為工業領域的共識在多標準、多要素、多網絡等技術背景下，網絡正逐步向自動化發展。以太網是IT業最主要的局域網技術,它的優勢明顯表現在技術積累、資本積累以及發展動力和空間等各個方面。以太網速度的一再提高,加上引入全雙工交換技術、虛擬網技術以及改進網絡拓撲結構等,使以太網大踏步地走到工業自動化前臺,ProfiNet、HSE、Modbus/TCP、Ethernet/IP等都已經大量成功應用。用以太網構建工業企業信息層、控制層等中上層網絡,已經成為行業共識。以太網是否可以向下延伸,應用于工業現場設備,一直是近年來工控行業的一個爭論焦點和研究熱點。為了保護已有投資和技術,各大廠商推出的以太網產品只是對已有現場總線產品做邊緣性修改,而且諸多技術主要是針對上層網絡。實際上,降低沖突域和提高以太網速度還沒有根本解決以太網確定性問題,但是這對于工業底層設備至關重要。本文介紹一種確定性工業以太網——EthernetPowerlink(以下稱Powerlink),它成功地將以太網技術推進到了工業現場設備層。1通過權能系統的ink技術特點Powerlink標準化組織(EthernetPowerlinkStandardizationGroup,EPSG)成員包括ABB(Robotics)、B&R、Hirschmann、Kuka、Lenze等20幾家工業自動化生產、研發機構。2001年德國B&R公司率先提出Powerlink技術。Powerlink的目標是確定性、實時性工業以太網。Powerlink主要有兩個方面的技術特點:一方面是能夠與IT技術無縫連接,可以繼續應用IP協議族(HTTP、TELNET、FTP等);另一方面,開發了網絡協議棧取代傳統的TCP/IP協議棧,從根本上實現了網絡數據的有效控制和管理。Powerlink在通信管理上引入了管理節點(Managingnode)和控制節點(Controlnode)的概念。整個網絡有唯一的管理節點,在管理節點統一調度下,管理節點和控制節點之間、以及控制節點之間的通信周期地進行。每個通信周期可以有對應的時間域用于傳輸實時數據和標準以太網數據流。隨著工業以太網大踏步進入工業自動化領域,Powerlink技術快速發展,EPSG已經成功地開發出系列產品,應用于機械加工、制造等要求苛刻的一系列領域。該組織對第3方開放協議,并在其網站公布技術進展。2003年10月EPSG正式向國際IEC組織提交技術標準,積極推進實時工業以太網標準化。2綜合管道模型、管理系統和工作模式的構建2.1中間層和采用的強制使用Powerlink通信模型與OSI參考模型對照情況如表1所示。Powerlink的通信模型采用了3層結構:底層包括物理層和數據鏈路層的媒體訪問控制部分,采用了快速工業以太網標準(IEEE802.3u);中間層作為數據傳輸服務層,具體規定了數據傳輸和網絡管理機制;Powerlink在頂層規定了應用層數據結構,以保證不同廠商設備產品的互操作性。Powerlink數據流結構采用了標準快速工業以太網的幀頭、幀尾以及CRC校驗等,如圖1所示。在14個字節的以太網幀頭之后,是實際的Powerlink數據流,包括服務標識(Serviceidentifier,SID)、目標地址(DestinationAddress,DA)和源地址(SourceAddress,SA)等。在以太網幀頭中有2個字節的Entertype保留位,一般用于識別通信協議。Powerlink利用Entertype識別所接收的數據流類型。2.2基于不斷信息的窄道通信如前所述,管理節點對Powerlink網絡統一調度。所有控制節點在管理節點上登記組態,得到允許后才能發送數據,從根本上避免了數據沖突。管理節點負責為各個節點之間數據通信分配時間信道,對于實時數據,信道時間較窄,可以精確管理;對于標準以太網數據包,首先拆成小包(長度可以設置,典型值為256字節),然后納入相應信道進行管理,因而數據也是確定性的。這種通信管理方式稱為窄道通信網絡管理(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個時間域,如圖2所示。在周期起始數據流(StartofCyclic,SoC)之后,管理節點在周期域依次向每個節點發送輪詢(PollRequest,PRq),控制節點收到輪詢后發送響應報文(PollResponse,PRs),每個周期域有結束數據流(EndofCyclic,EoC)。輪詢和響應報文都可以包含應用數據,但是輪詢只是從管理節點發送到目標控制節點,響應報文則以廣播形式進行發布,在這種情況下系統可以適應發布者/訂閱者(Publisher/Subscriber)通信方式。Powerlink通過特定的節點識別數據流來識別在線節點。在線節點的數據交換請求在調度隊列中進行登記。當確認隊列中沒有實時數據交換需要時,系統進入異步時間域。異步通信主要傳輸以太網數據流。管理節點查詢異步數據請求隊列,發送異步數據發送邀請(Invite)。異步數據可以直接發送到目標節點。通過窄道通信發送的數據報文會在接收節點還原成原始數據包。管理節點以廣播形式發布通信周期起始數據流,控制節點以接收該數據流時間作為時間基準。在窄道通信中,起始數據流的發送由系統時間控制,而其它數據通信靠事件觸發。2.3三種工作模式Powerlink工作模式分為開放模式、保護模式和基本以太網模式,三種模式之間可以方便切換。(1)采用混合網絡開放模式允許Powerlink網絡中直接連接標準以太網設備,即不需要分離的網絡。標準以太網設備可以直接訪問Powerlink節點。這時候,系統通信周期為ms級,網絡抖動時間(Jitter)在10μs左右。這種模式下可以使用以太網交換機。(2)最小通信模式保護模式需要網絡分離,即標準以太網設備需要經過網關訪問Powerlink節點。這種模式下系統最小通信周期為200μs,網絡抖動時間小于1μs,可以適應更為苛刻的實時性要求。由于存儲轉發及切換時間的遲延和不確定性,保護模式不允許使用以太網交換機,只能使用基于數據鏈路層的集線器。(3)基本的網絡模式這時候Powerlink節點就成為標準以太網設備。3入油氣生物通信電路設計典型的Powerlink網絡體系結構如圖3所示,儀表設備(可以是各種PLC、遠程I/O、執行機構以及PC設備等)中嵌入Powerlink通信電路單元即可以成為Powerlink設備。Powerlink單元的具體實現不需要特殊的芯片,在文獻中給出了一種基于ARM7TDMI內核的硬件原理圖和協議棧代碼段、數據段內存要求等。開放模式網段中可以用交換機和集線器構成多種拓撲結構。保護模式網段中只能用集線器構成樹型和線形網絡,集線器要求為單速HUB,級聯最大允許數量為10。4工業聯網將向工業現場設備層發展根據ARCAdvisoryGroup2003年發布的市場報告,工業以太網絡產品在過去2年中每年有超過50%的成長率,今后的5年更將以平均84%的復合成長率持續增長。在這樣的環境下,將工業以太網推向工業現場設備層更加具有重要意義。設備層工業以太網發展得益于嵌入式系統軟硬件性能的成熟和提高,嵌入式系統的迅猛發展將繼續提供