實時的工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet Powerlink
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近十年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，以太網(wǎng)成為商業(yè)通信中的主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。以太網(wǎng)的通信速率要比目前任何工業(yè)現(xiàn)場總線高很多，因它是IT界標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，成千上萬的公司參與開發(fā)生產(chǎn)有關(guān)產(chǎn)品，使其成本低廉，可選擇范圍十分廣闊。因此，人們期望以太網(wǎng)也能應(yīng)用到工控領(lǐng)域中，憑著它的低成本、極高的通信速率、全球普及的標(biāo)準(zhǔn)，逐漸取代現(xiàn)有工控行業(yè)中繁多的總線系統(tǒng)，用以太網(wǎng)來實現(xiàn)從管理層到工業(yè)現(xiàn)場層的貫穿一致性通信。
工控領(lǐng)域和IT界對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有著截然不同的需求，要想有效地應(yīng)用以太網(wǎng)，必須使其符合工業(yè)環(huán)境的特殊需求。本文以實時工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) Ethernet Powerlink為例，介紹工業(yè)以太網(wǎng)的實現(xiàn)方案和現(xiàn)場實際應(yīng)用情況。
——作者序
一 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實時局限性
目前，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)可達(dá)到100Mb/s甚至1000Mb/s的傳輸速度，遠(yuǎn)快于任何現(xiàn)場總線系統(tǒng)。但對于工業(yè)控制來說，比傳輸速率更重要的是實時性。實時性的一個重要標(biāo)志是時間的確定性，通信時數(shù)據(jù)傳輸時間不是隨機(jī)的，而是可事先準(zhǔn)確預(yù)測的。
以太網(wǎng)雖有很高傳輸速率卻不能保證實現(xiàn)控制設(shè)備間的實時通信。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3的通信機(jī)制使數(shù)據(jù)傳輸時間可被任意推遲，也就談不上實時性。而在工控領(lǐng)域中，特別是在對高動態(tài)過程的控制中，實時性卻必不可少。
普通以太網(wǎng)產(chǎn)生這種通信時間不確定性的原因，是它對物理介質(zhì)的訪問機(jī)制CSMA/CD。CSMA/CD是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3的核心，如在盡量不改變現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)前提下想在工控領(lǐng)域中充分利用以太網(wǎng)優(yōu)點，就須找到一種方法保證以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸時間確定性，使其實現(xiàn)實時通信。
1. 工業(yè)控制對實時性的要求
(1)實時性
在工業(yè)控制系統(tǒng)中，實時可定義為系統(tǒng)對某事件響應(yīng)時間的可預(yù)測性。一個事件發(fā)生后，系統(tǒng)須在一個可準(zhǔn)確預(yù)見的時間范圍內(nèi)作出反應(yīng)。至于反應(yīng)時間須有多快，由被控制過程決定。化工熱化過程控制有秒級別的反應(yīng)時間就足夠，而在高動態(tài)傳動控制中系統(tǒng)反應(yīng)時間必須達(dá)到微秒級。
另外，還可把工控中的實時性分為硬實時和軟實時兩種不同類別(它們之間沒有明顯界線)。硬實時：控制中系統(tǒng)響應(yīng)時間要求如達(dá)不到將導(dǎo)致致命后果(如汽車ABS、飛機(jī)、工具機(jī)床等)。軟實時：系統(tǒng)響應(yīng)時間如達(dá)不到要求僅影響系統(tǒng)控制質(zhì)量，而不會造成嚴(yán)重后果(如樓宇系統(tǒng)、電梯、倉庫管理等)。
(2)抖動(Jitter)
所謂抖動，是指同樣過程每次完成或響應(yīng)時間上的偏差，也就是時間精確度。抖動大小對一些過程控制如運動控制和一些高精確度閉環(huán)控制非常關(guān)鍵。以無軸印刷機(jī)為例：設(shè)印刷速度為25m/s，也就是說每40mm/µs 。軸間通信如大于40µs抖動，就會有1mm以上的偏差，印刷質(zhì)量肯定不能滿足要求，如圖1。
(3)通信周期時間
控制系統(tǒng)中的程序以周期性循環(huán)的方式運行，一個周期內(nèi)所有輸入被刷新，完成計算任務(wù)后再被寫入輸出中，周期時間長短由控制對象決定。高動態(tài)傳動控制周期往往要達(dá)到毫秒級。
系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換速度應(yīng)和系統(tǒng)運算周期時間相對應(yīng)。在位置控制、電子齒輪、多軸聯(lián)動的高精確度運動控制中，刷新時間越短越好。時間越短控制精確度越高，能完成的動態(tài)性能也更高。多軸聯(lián)動中，伺服系統(tǒng)如以400µs的周期進(jìn)行位置控制，各軸間的信息交換當(dāng)然也是以400µs周期為最佳，以達(dá)到軸間最精確的同步。
2. 實時級別劃分
按照不同過程對實時性要求的不同，可把實時性能劃分為4個級別(如圖2)。其中實時級別4是工控中對實時性能要求最苛刻的，主要是機(jī)械傳動和運動控制中對實時性的要求。
針對這些實時要求對象可選用不同現(xiàn)場總線系統(tǒng)，如果工業(yè)以太網(wǎng)要成為全工控領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，就須覆蓋所有這些對實時性能和通信周期的需求，也就是須滿足最苛刻的實時要求。
二 解決以太網(wǎng)實時局限性的傳統(tǒng)方法
目前，有幾種解決以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸時間不確定問題的方案，其共同點是：都不改變現(xiàn)有以太網(wǎng)通信機(jī)制，協(xié)議也是直接使用TCP/IP，有很多局限性。代表性方式有：
(1)低沖突概率
如網(wǎng)絡(luò)中沒有太多數(shù)據(jù)，沖突概率會降低，它隨數(shù)據(jù)通信的增加而呈指數(shù)級增長。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低于或等于10%時，可假設(shè)沖突可避免。
這種方法局限性：不能充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，浪費帶寬；且不能百分之百保證沖突不會發(fā)生。
(2)在沖突域利用網(wǎng)絡(luò)交換器分段
如圖3，利用網(wǎng)絡(luò)交換器分段是一種完全不同的方案，能完全避免沖突發(fā)生。其原理是把可能發(fā)生沖突的網(wǎng)域用網(wǎng)絡(luò)交換器隔開。它有些類似于一組點對點連接。
這種方式局限性：數(shù)據(jù)通信被網(wǎng)絡(luò)交換器的分配和緩沖過程所帶來的延遲時間所影響，傳輸時間特性受制于網(wǎng)絡(luò)交換器的配置而會有一些偏差。在高動態(tài)傳動控制中，這種偏差是不允許的；且設(shè)置網(wǎng)絡(luò)交換器需工作人員對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)十分了解；此外，其成本也相對高。
(3)IEEE 1588對時機(jī)制
該方法能較好克服以太網(wǎng)實時性不足。主要原理是對網(wǎng)絡(luò)中所有站點進(jìn)行對時同步。由一個同步信號周期性地對網(wǎng)絡(luò)中所有站點的時鐘進(jìn)行校正同步。站點發(fā)送的每一幀數(shù)據(jù)都自帶一個時間標(biāo)志，告訴接收方必須執(zhí)行任務(wù)的確切時間。根據(jù)時間精確度要求高低，可使用軟件時鐘或硬件系統(tǒng)時鐘。如精確度要求很高，還要在網(wǎng)絡(luò)中附加一個硬件裝置來測量信號通信本身所需時間。
此方法優(yōu)點：可達(dá)到很高傳輸時間確定性，也就是實時性；可直接使用TCP/IP協(xié)議。局限性是：所有站點須自帶時鐘，成本較高。目前還沒有測量信號通信本身需時間的硬件裝置來滿足更高精確度要求。最大問題是，這種通信機(jī)制給系統(tǒng)編程帶來很大影響，因控制任務(wù)須通過時間觸發(fā)方式啟動，提高了編程難度，且不符合工控工程人員編程習(xí)慣。
三 真正實時以太網(wǎng)——Ethernet Powerlink
奧地利貝加萊(B&R)公司開發(fā)的 Ethernet Powerlink(EPL)標(biāo)準(zhǔn)是一種可滿足最苛刻實時要求(4級)、并已投入實際應(yīng)用的工業(yè)以太網(wǎng)。該公司當(dāng)初開發(fā)Ethernet Powerlink的思路是在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上建立一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)來滿足控制中最苛刻的實時要求，同時克服以上介紹的傳統(tǒng)解決方案的局限性。
Ethernet Powelink主要技術(shù)指標(biāo)：用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3u(Fast Ether-net)作為傳輸媒介；傳輸速率100Mb/s；使用標(biāo)準(zhǔn)Hub和標(biāo)準(zhǔn)接線；實時數(shù)據(jù)傳輸周期最小達(dá)200µs；抖動小于1µs；可同時傳輸實時和非實時數(shù)據(jù)；可同時傳輸IP協(xié)議；使用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備。
1. 工作原理——時間槽通信管理機(jī)制
為避免沖突、盡量利用帶寬，EPL在時間上重新組織了網(wǎng)絡(luò)中站間信息交換機(jī)制，在CSMA基礎(chǔ)上引入時間槽管理機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)其中一個站點充當(dāng)管理站管理網(wǎng)絡(luò)通信，對其他所有站點給定同步節(jié)拍，分別分配各站發(fā)布權(quán)限，各站只能在得到發(fā)布權(quán)限后才可發(fā)布信息。
一個EPL通信周期可分成4個階段(如圖4)：
(1)開始階段：管理員發(fā)布“通信周期開始(SoC)”信號，信號以廣播方式發(fā)給所有站點。此信號發(fā)出后，各站點就此同步。
(2)同步階段：這階段中所有站點進(jìn)行同步信息交換，管理站按照一個事先定義的順序給某站發(fā)一個PRq幀，要求此站發(fā)布信息。此站得到發(fā)布許可后，以廣播形式發(fā)出一幀PRs回應(yīng)信息，所有站點都可收到這幀信息，也包括那些應(yīng)該得到這幀信息的站點。站點間直接橫向通信方式和CAN總線很相似。
(3)異步階段：這個階段是給無實時要求的信息留下的，管理站發(fā)給某站一個“邀請”幀，此站便可發(fā)布非同步信息，比如一幀IP信息。
(4)閑置階段：到下一個周期前的等待時間。
2. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
通過使用Hub可實現(xiàn)任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因為同時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中只有一站可發(fā)送信息，不會發(fā)生沖突，所以Hub使用數(shù)量不受限制。系統(tǒng)可使用雙端口Hub，實現(xiàn)單線形串連式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。EPL網(wǎng)絡(luò)不建議使用網(wǎng)絡(luò)交換器，因為它會導(dǎo)致更高系統(tǒng)延遲和抖動。外界標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)(如局域網(wǎng))可直接通過一個網(wǎng)關(guān)用IP協(xié)議訪問EPL網(wǎng)絡(luò)。
Ethernet Powerlink V2的應(yīng)用層接口是以CANOpen(CAN in Auto-mation組織定義)中DS301通信規(guī)范定義的機(jī)制為基礎(chǔ)的。這樣，EPL可直接使用已在CANopen中定義的大量設(shè)備元器件特征，實現(xiàn)了CANopen和EPL網(wǎng)絡(luò)通信的一貫性，也簡化了從CANopen到Ether-netPowerlink的軟件層過渡。
3. Ethernet Powerlink和TCP/IP的兼容性
在工控領(lǐng)域使用以太網(wǎng)的一個重要目的是實現(xiàn)貫穿管理層到現(xiàn)場層乃至傳感器、執(zhí)行器層的通信。各個層之間沒有位置或系統(tǒng)所造成的界線，通信使用IP協(xié)議。Ethernet Powerlink通過兩個機(jī)制來實現(xiàn)這個目標(biāo)：實時和非實時(異步)信息可同時傳輸；透明地在異步時間槽發(fā)送和接收IP協(xié)議信息(如圖5)。
Ethernet Powerlink接口函數(shù)API和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)驅(qū)動函數(shù)完全兼容。在應(yīng)用層上，基于IP的協(xié)議或軟件都可不加改動就直接使用。在通信實時性不重要時，如程序下載、系統(tǒng)編程診斷或參數(shù)配置過程中，用Ethernet Powerlink的開放模式可使所有站點作為普通以太網(wǎng)站點的模式來使用(非實時模式)。在這個模式下EPL站點對普通以太網(wǎng)來說完全透明。
4. Ethernet Powerlink 的實際應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程
Ethernet Powerlink投入實際應(yīng)用3年以來，用戶反應(yīng)良好，在世界范圍內(nèi)已有兩萬個以上的節(jié)點投入使用，并以極高速度擴(kuò)大市場占有率。它證明以太網(wǎng)可滿足控制系統(tǒng)對實時性最苛刻的要求。從三軸同步的全電子注塑機(jī)(通信周期400µs，抖動<1µs)，到25軸無軸印刷機(jī)(通信周期800µs，抖動<1µs)，乃至50軸加50個IO站點的大型包裝機(jī)械(通信周期2.4ms，抖動<1ms)，它的性能都已在現(xiàn)場中得到了考驗。
當(dāng)然，一個新的通信標(biāo)準(zhǔn)是否能被廣大用戶接受，除技術(shù)優(yōu)勢外，這個標(biāo)準(zhǔn)的普及程度是最關(guān)鍵的因素。為加快EPL標(biāo)準(zhǔn)的普及，貝加萊開發(fā)EPL標(biāo)準(zhǔn)后隨即公開了這個技術(shù)，并委托中立機(jī)構(gòu)(蘇黎世工科學(xué)院)來管理此項標(biāo)準(zhǔn)。此后，歐洲幾個知名工控企業(yè)如Lenze、Kuka Roboter、Hirschmann也加入到這個行列中來，成立了Ethernet Powerlink標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會EPSG，目的是共同開發(fā)有關(guān)硬軟件產(chǎn)品，使Ethernet Powerlink盡快在工控行業(yè)中得到普及。至今全世界已有30多家知名工控企業(yè)，其中包括終端用戶參加EPSG協(xié)會，共同參與Ethernet Powerlink標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)，并同時開發(fā)、生產(chǎn)有關(guān)硬軟件產(chǎn)品。 這使得此標(biāo)準(zhǔn)獨立于任何公司，成為一個世界性的、開放的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
同時，EPSG正與IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織商討關(guān)于使Ethernet Powerlink成為IEEE新一代工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一部分，使其成為真正的國際標(biāo)準(zhǔn)。
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