实时以太网POWERLINK技术基础
Powerlink实时以太网总线在多轴数控系统中的应用
２ Ｐ ｗ ｒ ｋ的应 用 优 势 ｏ ｅｌ ｉ ｎ
Ｅ ｈ ｒ ｅ ｏ ｅｌ ｋ 技 术 于 ２ ０１年 由 贝 加 莱 ｔｅｎ ｔＰ ｗ ｒ ｎ ｉ ０ （ Ｂ＆ Ｒ ） 司 开 发 ， 成 立 了 Ｅ Ｓ Ｅ ｈ ｒｅ ｏ ｒｉｋ Ｓａ ． 公 并 Ｐ Ｇ（ ｔｅｎ ｔ ｗｅｌ ｔｎ Ｐ ｎ ｄ ｒ ｉａｉｎ Ｇ ｏ ｐ 标 准 化 组 织 ， 员 包 括 Ｂ＆Ｒ、 ｅ ｚ 、 ａ ｄｚｔ ｒｕ ） ｏ 成 Ｌ ｎｅ
Ｉ Ｅ ５ ８时 钟 同 步 协 议 ， 一 种 确 定 性 实 时 以 太 网 。 Ｅ Ｅ１ ８ 是
２． 工 作 原 理 １
机 床 本 体 共 ４部 分 组 成 ， 其 中 数 控 系 统 是 整 个 系 统 的
核 心 部 分 ， 责 将 ＮＣ 代 码 转 换 成 复 杂 的 控 制 指 令 ， 负 然 后 由伺 服 系 统 执 行 具 体 操 作 。
具 体 表 现 为 ： 速 度 、 精 度 、 效 率 、 可 靠 性 、 灵 高 高 高 高 高
活 性 。以 减 少 工 序 、 助 时 间 等 为 主 要 目 的 的 复 合 加 工 辅
正 朝 着 多 轴 、 通 道 控 ￥ 功 能 方 向 发 展 ， 现 多 轴 的 协 多 １ 实
调 控 制 成 为 实 现 这 一 目标 的 关 键 技 术 … 。本 文 研 究 通 过 设备 级 的 网络通信 技 术 ， 现 数 控系 统 的多轴 控制 ， 实 对 提高机 械 加工 效率 具有 重 要意 义 。
当前 ， 着 经 济 全 球 一 体 化 ， 备 制 造 业 的 国 际 市 随 装
场 竞 争 日趋 激 烈 ， 户 对 数 控 技 术 提 出 了 更 高 的 要 求 ， 用
ReWorks的POWERLINK主站设计与解决方案
R e W o r k s 的P OW E R L I N K主站设计与解决方案*黄河,杜坚,任见,钱晨,方国好(上海华元创信软件有限公司,上海200062)*基金项目:国家科技重大专项(2017Z X 010********);上海市软件和集成电路产业发展专项(190241)㊂㊂摘要:本文基于国产嵌入式实时操作系统锐华(R e W o r k s )设计并实现了P OW E R L I N K 实时以太网主站解决方案,并在龙芯2K 1000平台的网关控制器上进行应用,支持P OW E R L I N K 组网实时通信和双网冗余㊂基于R e W o r k s 的P OW -E R L I N K 主站控制器具有高可靠性㊁高实时性且方便开发调试等特性,可满足高安全实时控制与通信的工业控制㊁轨道交通㊁机器人运动控制等领域需求㊂测试结果表明,可满足安全工业互联网对实时稳定㊁自主可控㊁安全可靠的较高要求㊂关键词:嵌入式实时系统;实时以太网;P OW E R L I N K ;双网冗余;锐华中图分类号:T P 393 文献标识码:AD e s i gn a n d S o l u t i o n o f P O W E R L N K M a s t e r B a s e d o n R e W o r k s H u a n g H e ,D u J i a n ,R e n J i a n ,Q i a n C h e n ,F a n g Gu o h a o (S h a n g h a i H u a y u a n C h u a n g x i n S o f t w a r e C o .,L t d .,S h a n gh a i 200062,C h i n a )A b s t r a c t :B a s e d o n t h e d o m e s t i c e m b e d d e d r e a l -t i m e o p e r a t i n g s y s t e m r e w o r k s ,t h i s p a p e r d e s i g n s a n d i m pl e m e n t s t h e s o l u t i o n o f r e a l -t i m e E t h e r n e t m a s t e r s t a t i o n o f P OW E R L I N K ,w h i c h i s a p p l i e d o n t h e g a t e w a y c o n t r o l l e r o f L o o n g s o n 2K 1000p l a t f o r m.I t s u p po r t s r e -a l -t i m e c o mm u n i c a t i o n a n d d u a l n e t w o r k r e d u n d a n c y o f P OW E R L I N K n e t w o r k .P OW E R L I N K m a s t e r s t a t i o n c o n t r o l l e r b a s e d o n r e -w o r k s h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h r e l i a b i l i t y ,h i g h r e a l -t i m e a n d c o n v e n i e n t d e v e l o p m e n t a n d d e b u g g i n g ,w h i c h c a n m e e t t h e r e qu i r e -m e n t s o f i n d u s t r i a l c o n t r o l ,r a i l t r a n s i t ,r o b o t m o t i o n c o n t r o l a n d o t h e r f i e l d s o f h i g h s a f e t y an d r e a l -t i m e c o n t r o l a n d c o mm u n i c a t i o n .K e yw o r d s :e m b e d d e d r e a l -t i m e s y s t e m ;r e a l t i m e e t h e r n e t ;P OW E R L I N K ;d u a l n e t w o r k r e d u n d a n c y ;R e W o r k s 0 引 言随着工业4.0时代高速㊁高精度㊁分布式的自动化控制系统的发展,传统现场总线技术的通信周期和吞吐量已无法满足高速㊁高实时㊁大数据量传输的工业控制需求㊂标准以太网使用带碰撞检测的载波监听多路访问协议(C S MA /C D )引起网络传输的不确定性[1],无法满足高安全装备领域实时性和确定性的要求[2-3]㊂P OW E R L I N K实时以太网[4-5]基于标准以太网硬件,在数据链路层以上自定义数据报文调度模块,采用时间槽网络通信管理协议的数据链路层,支持菊花型㊁星型㊁树型物理拓扑结构,满足复杂应用系统要求㊂在媒体访问层采用高精度时间戳,增强全局时钟同步的能力㊂在应用层采用C A N o pe n 协议作为网络配置和实时数据的接口,符合工业易用性[6]㊂通过网络状态机实现对网络设备和状态的统一管理㊂鉴于P OW E R L I N K 安全可靠的实时以太网通信功能和锐华嵌入式实时操作系统(R e W o r k s)的国产化广泛应用[7],本文采用F P G A 硬核方案,基于R e W o r k s 对P OW -E R L I N K 协议栈进行适配集成㊂在龙芯2K 1000国产硬件平台[8]上实现了P OW E R L I N K 实时以太网双网冗余主站,并提供更符合工控应用开发㊁调试的工控运行时软件㊂R e W o r k s 是华东计算技术研究所自主研制的国产高性能㊁可裁剪的嵌入式实时操作系统[9-10]㊂产品通过了工业和信息化部赛宝软件测评中心㊁信息产业部华东工程软件测评中心以及总装备部测评机构的第三方软件测试,支持P o w e r P C ㊁X 86㊁A R M ㊁龙芯㊁飞腾㊁C s k y 等主流处理器架构,目前广泛应用于国防电子㊁工业控制以及轨道交通领域㊂1 P O W E R L I N K 实时以太网主站设计1.1 P O W R E L I N K 实时以太网主站开发系统P OW E R L I N K 实时以太网主站开发系统采用国产冗余实时以太网主站控制器硬件平台,基于锐华嵌入式实时操作系统,装载华元创信工业控制器运行时环境软件,配套华元创信工业控制应用软件集成开发环境A u t o X ,可面向自动化控制㊁机器人和C N C 系统等工业领域应用㊂主站硬件平台采用龙芯2K 1000处理器,可支持多种工业现场总线协议和实时以太网㊂P OW E R L I N K 实时以太网双网冗余主站开发系统总体架构如图1所示㊂图1 R e W o r k s实时以太网主站开发系统架构图图2 基于R e W o r k s 的P O W E R L I N K 双网冗余主站示意图华元创信工业控制器运行时环境软件基于锐华嵌入式实时操作系统的实时内核㊁R M S 定时器㊁C L B 协同总线㊁动态加卸载等基础服务,集成P OW E R L I N K 应用层C A N o pe n 协议栈,对外提供周期任务管理㊁变量运行时监控㊁远程变量映射和故障管理服务㊂华元创信工业控制应用软件集成开发环境A u t o X 主要面向工业应用开发,通过与运行时软件通信可以提供下装㊁任务与变量管理和运行时调试等功能㊂1.2 P O W R E L I N K 实时以太网主站架构基于R e W o r k s 的P OW E R L I N K 双网冗余主站实时网络通信协议包括物理层㊁数据链路层和应用层㊂物理层由两个符合I E E E 802.3标准以太网的P H Y 控制器和R J 45连接器构成㊂数据链路层主要通过F P G A 实现,包含冗余网络多路数据选择器㊁以太网MA C 控制器㊁数据缓存区㊁P OW E R L I N K 状态机和控制寄存器㊂缓存区分为同步数据缓存区和异步数据缓存区;P OW E R L I N K 状态机由D L L 数据链路层状态机㊁寄存器命令解析㊁事件缓存队列㊁接收数据帧解析和NM T 主站网络管理状态机构成;寄存器包括P OW E R L I N K 协议栈状态机控制寄存器组㊁数据包统计寄存器组和发送接收控制寄存器组㊂应用层包括在R e W o r k s 操作系统中实现的C A N o p e n 协议栈和工控运行时软件,其中,C A N o p e n 协议栈主要由对象字典㊁P D O 通信㊁S D O 通信和NM T 状态机管理构成,工控运行时软件提供变量监控/记录/强制㊁网络日志服务㊁双缓冲远程变量映射和周期/非周期/同步任务等服务㊂基于R e W o r k s 的P OW E R L I N K 双网冗余主站示意图如图2所示㊂主站运行时软件通过周期任务管理实现过程控制,中断同步任务与P OW E R L I N K 网络通信中断同步可以处理P OW E R L I N K 周期内的数据㊂用户自定义的输入输出变量通过双缓冲远程变量映射,在每个应用运算周期将数值同步到远程I /O 地址㊂为方便用户调试周期任务中快速动态变化的变量,提供运行时变量监控㊁变量追踪和变量强制功能㊂主站控制器运行过程中的异常故障信息将通过网络日志服务上传给上位机㊂C A N o pe n 协议栈初始化时需要通过解析C D C 配置文件对从站组网进行配置,包括NM T 状态机管理和服务数据对象S D O ㊂变量映射的数据都是C A N o p e n 协议栈中对象字典里的过程数据对象P D O ㊂P OW E R L I N K 协议栈的状态机控制寄存器组用于C P U 控制网络管理状态机的转换,数据包寄存器组统计主站当前接收到的各种类型数据帧的个数,发送接收控制寄存器组用于C P U 获取当前接收数据帧状态,控制同步及非同步数据的发送㊂事件缓存队列存放D L L 状态机切换事件㊁接收网络数据帧通信事件和由寄存器组传来的控制命令事件,NM T 网络管理状态机从事件缓存队列中取出事件进行处理,完成状态跳转㊂同步数据缓存区用于保存C P U 需要发送的同步数据及主站接收到的同步数据;异步数据缓存区用于保存C P U 需要发送的异步数据及主站接收到的异步数据㊂HU B /多路数据选择器同时将数据帧分发到两个网口P H Y 进行发送㊂接收数据时,通用主站的HU B 将数据帧分别转发到以太网MA C 控制器和另一个网口P H Y ,双网冗余主站的多路数据选择器将选择其中一路有效数据帧转发给以太网MA C 控制器㊂1.3 冗余实时以太网协议(1)P O W E R L I N K 实时以太网通信P OW E R L I N K 采用主从控制方式,指定一个具有网络管理功能的主站管理节点(节点号240),其他节点称为从站受控节点(节点号为1~239)㊂数据链路层采用时间槽网络通信管理协议将通信周期划分为不同的时间段,并且把这些专用时间段分配给异步数据和等时同步数据信道㊂网络的通信周期可以划分为三个阶段:等时同步阶段㊁异步阶段和空闲阶段㊂等时同步阶段用来传输周期性的实时数据,从管理节点以广播方式向受控节点发送周期起始报文(S o C )开始,到异步起始报文(S o A )准备发送截止,主要用于启动新周期和同步各个受控节点的时间,以周期的方式交换数据,为确保周期时间的一致性,由主站进行实时监控,实时以太网周期通信图如图3所示㊂图3 实时以太网通信周期图时间槽网络通信管理协议提供请求/应答模式(P r e q/P r e s 模式)进行等时同步数据通信㊂首先需要在主站中配置等时同步的受控节点,以及每个等时同步受控节点要发送和接收的周期性数据㊂管理节点发布同步帧同步所有受控节点,各个受控节点收到S o C 同步帧后进入数据通信等待状态㊂在进入等时同步阶段后,管理节点单播发送轮询请求(P r e q )数据帧,根据配置窗口中相应的从节点接收数据帧,从节点以广播形式上报一个轮询响应(P r e s)数据帧,完成一次数据通信,而其他从节点不响应这个P r e s 数据帧㊂以此类推,管理节点将所有的从节点扫描一次,即完成一个等时同步阶段㊂异步阶段是在等时同步阶段完成后,由管理节点向受控节点广播异步起始报文(S o A )触发开始,用来发送非周期且实时性要求不高的数据㊂P OW E R L I N K 实时以太网报文类型如表1所列㊂表1 P O W E R L I N K 实时以太网报文类型表报文类型标识I D 说明周期起始S o C主站发出同步通信开始广播数据轮询请求P R e q 主站发出的同步请求单播数据轮询响应P R e s 从站发出的同步响应广播数据异步开始S o A 主站发出异步通信开始广播数据异步发送A S n d 主站和从站发送的异步广播数据P OW E R L I N K 协议的数据链路层和多路选择器通过F PG A 实现㊂协议栈设置硬件定时器的时间间隔,周期触发中断通知协议栈开始通信周期㊂P OW E R L I N K 双网冗余协议栈在R e W o r k s 系统中主要包含对象字典与C D C文件解析㊁S D O 服务数据对象通信㊁P D O 过程数据通信和双网冗余多路数据选择器㊂(2)对象字典与C D C 文件解析C A N o pe n 协议对象字典是P OW E R L I N K 协议栈和用户交互的主要方式㊂P OW E R L I N K 协议栈将从网络上接收的数据放入对象字典,将用户应用层需要输出的数据从对象字典中取出并发送到网络㊂对象主要包括通信对象和设备对象,其中通信对象是设备与应用之间统一的访问方式,设备对象则是根据具体不同的设备协议定义不同的对象㊂对象字典是由主对象索引表和子索引表构成㊂主对象索引表提供快速定位,子对象索引表提供具体对象的定义㊂对象字典主索引数据结构如下:t y pe d ef s t r u c t { U I N T i n d e x;/*对象索引标识*/ t O b d S u b E n t r yP t r p S u b I n d e x ;/*对象子索引区域*/ U I N T c o u n t;/*子索引数量*/t O b d C a l l b a c k p f n C a l l b a c k;/*对象访问回调函数*/}t O b d E n t r y;对象字典子索引数据结构如下:t y pe d ef s t r u c t { U I N T s u b I n d e x;/*对象子索引标识*/t O b d T y p e t y pe ;/*对象数据类型*/t O b d A c c e s s a c c e s s;/*对象访问类型*/ C O N S T v o i d R OM*p D e f a u l t ;/*默认数据区域*/ v o i d M E M*p C u r r e n t;/*内存数据区域*/}t O b d S u b E n t r y;对象字典初始化参数数据结构如下:s t r u c t _t O b d I n i t P a r a m {t O b d E n t r y P t r p G e n e r i c P a r t ;/*对象字典通用区域*/ U I N T 32n u m G e n e r i c;/*通用区域对象条目数量*/t O b d E n t r yP t r p M a n u f a c t u r e r P a r t ;/*制造商自定义区域*/U I N T 32n u mM a n u f a c t u r e r; /*自定义区域对象条目数量*/ t O b d E n t r yP t r p D e v i c e P a r t ;/*对象字典设备区域*/ U I N T 32n u m D e v i c e;/*设备区域对象条目数量*/};通过解析上位机生成的网络C D C 配置文件来配置网络拓扑㊁主站的通信参数㊁各从站的通信和映射及循环周期等参数,完成应用层用户变量和对象字典中对象的链接㊂从站配置参数主要包括从站节点个数㊁各节点配置的P D O 个数以及P D O 的映射参数㊁从站节点中当前应用变量与过程镜像的绑定等信息㊂(3)S D O 服务数据对象通信C A N o pe n 协议的S D O 服务数据对象通信用于P OW E R L I N K 主站和从站进行异步数据通信,使用P OW E R L I N K 模式通信中的非周期通信过程完成㊂S D O 模块负责访问受控节点的对象字典,需要非周期性传输㊁实时性要求不高的数据,S D O 通过异步阶段A S n d 通信方式传输配置㊂S D O 通信主要发生在预运行通信状态中,S D O 服务数据对象通信流程如图4所示㊂图4 S D O服务数据对象通信流程图图5 P D O 过程数据对象通信流程图(4)P D O 过程数据对象通信C A N o pe n 协议的P D O 过程数据对象通信负责管理组装和分派过程通信数据到链路层,传输需要周期性㊁实时传输的数据㊂在每个通信周期内,循环驱动会通知数据链路层提供数据,需要P D O 模块进行过程数据组装㊂数据交换完成后,从受控节点返回的数据则是由P D O 模块进行映射和分发㊂P D O 过程数据对象通信流程如图5所示㊂(5)双网冗余多路数据选择器冗余网络拓扑结构符合高安全领域对通信可靠性的要求㊂基于R e W o r k s 的P OW E R L I N K 双网冗余主站,采用数据选择器收发冗余网络数据,数据发送时,选择器自动复制数据帧在两个网络中同时发送;接收数据时,选择器通过分析网络报文的时间戳㊁数据缓存㊁网络状态,根据策略选择正确的报文,保证数据帧的正确性,数据选择器工作示意图如图6所示㊂图6 数据选择器工作示意图2 P O W E R L I N K 主站功能验证2.1 测试环境搭建本文设计的基于锐华(R e W o r k s)嵌入式实时操作系统的P OW E R L I N K 主站方案已应用于华元锐华工业网关控制器,硬件配置如表2所列,实物如图7所示㊂表2 华元锐华工业网关控制器硬件参数表项 目说 明C P U 龙芯2K 1000内存2G B以太网2路100M /1000M存储32G B 电子盘,支持D O S F S 文件系统串口1路R S 232调试串口1路R S 422/485串口,支持M o d B u s R T UP OW E R L I N K 2路P OW E R L I N K 网口,支持双网冗余E t h e r C A T 1路E t h e r C A T 网口,支持主站C A N 1路,符合C A N 2.0B ,支持C A N o p e n D I O 8路D I 隔离,输入电压24V8路D O 隔离,输出电压5V ,100m A显示V G A 1600ˑ1200高分辨率,支持Q T 5.5U S B2路U S B 2.0H O S T为验证华元锐华工业网关控制器P OW E R L I N K 主站组网通信与开发调试等综合功能,并体现高安全领域的有效性,给出典型双网冗余参考设计㊂采用基于R e W o r k s图7 基于R e W o r k s 的P O W E R L I N K 主站控制器实物图的P OW E R L I N K 主站控制器,通过两个专用HU B 组网,分别连接M C U 冗余从站㊁i M X 6冗余从站㊁I /O 和伺服控制器等,搭建安全关键领域冗余架构的参考设计及其测试环境,形成P OW E R L I N K 双网冗余运动控制系统㊂2.2 功能测试(1)P O W E R L I N K 网络初始化P OW E R L I N K 网络通信分为初始化状态和周期同步通信状态㊂P OW E R L I N K 网络通信初始化可以通过W i r e -s h a r k 抓包工具,查看分析网络报文㊂根据P OW E R L I N K协议标准,在网络初始化过程中可以看到以下过程:①主站发送异步广播指令S o A ,请求将网络上的从站状态切换到P R E _O P E R A T I O N A L _1状态,A S n d 获取网络上的从站信息,W i r e s h a r k 抓包如图8所示㊂图8 主站广播请求从站切换P r e O P 1状态W i r e s h a r k 抓包截图②从站接收到主站的广播指令,将状态切换到P R E _O P E R A T I O N A L _1后,向网络上广播从站信息㊂截图如图9所示㊂图9 从站2广播切换到P r e O P 1状态后W i r e s h a r k 抓包截图③主站接收到从站信息后,根据配置向指定节点发送S D O 数据配置从站,W i r e s h a r k 抓包如图10所示㊂图10 主站向从站2发送S D O 配置报文W i r e s h a r k 抓包截图④从站接收到配置数据,完成配置,从站状态切换到P R E _O P E R A T I O N A L _2,并向网络上广播从站状态数据,W i r e s h a r k 抓包如图11所示㊂⑤主站开始广播周期起始同步通信命令S o C ,并在异步通信阶段,发送广播数据请求从站切换到O P E R A -T I O N 状态,W i r e s h a r k 抓包如图12所示㊂图11 从站2广播切换到P r e O P 2状态W i r e s h a r k抓包截图图12 主站广播请求从站切换O P 状态W i r e s h a r k 抓包截图⑥从站接收到命令,完成O P 状态切换并发送P r e s 广播状态,W i r e s h a r k 抓包如图13所示㊂图13 从站2广播切换O P 状态W i r e s h a r k 抓包截图(2)P O W E R L I N K 网络周期同步通信P OW E R L I N K 网络初始化完成后进入同步通信状态㊂网络周期同步通信分为等时同步阶段㊁异步阶段和空闲阶段,同步阶段以主站发送S o C 广播指令开始,异步阶段以主站发送S o A 指令开始,通过K U N B U S 网络分析仪同时抓取两个网络的通信报文,P OW E R L I N K 网络周期同步通信W i r e s h a r k 抓包如图14所示㊂图14 P O W E R L I N K 周期同步通信W i r e s h a r k 抓包截图双网冗余的相同帧在两个网络中能同步抓到,从一组S o C 到下一组S o C 为完整的一个网络通信周期,从W i r e -s h a r k 抓包数据可以看出,等时同步阶段:从主站发送S o C 广播指令开始,主站依次发送P r e q 单播指令数据到从站,从站响应发送P r e s 广播指令㊂异步阶段:主站发送A S n d 广播指令数据,无应用请求㊂由图14可知,基于R e W o r k s的P OW E R L I N K 主站带8个从站组网通信周期最短可达到600μs㊂(3)双网冗余切换P OW E R L I N K 主站控制器正常启动后,可以看到图14中P OW E R L I N K 周期同步通信W i r e s h a r k 抓包截图中存在两条同时到达的相同的数据包㊂拔掉一根与HU B 与K U N B U S 网络分析仪之间的网线,通过W i r e s h a r k 抓包查看存在一个网络中的单条数据包交互,并且在1m s 的通信周期内完成了网络切换,说明P OW E R L I N K 网络仍然在正常通信㊂P OW E R L I N K 双网冗余切换W i r e -s h a r k 抓包截图如图15所示㊂图15 P O W E R L I N K 双网冗余切换W i r e s h a r k 抓包截图3 结 语本文设计实现了一种基于国产锐华(R e W o r k s)嵌入式实时操作系统的P OW E R L I N K 双网冗余实时以太网主站方案,并在国产龙芯2K 1000网关控制器上进行功能验证测试㊂测试结果表明,该主站方案及网关控制器具有高可靠性㊁高实时性且方便开发调试等特性,为高安全实时控制与通信的工业控制㊁轨道交通㊁机器人运动控制等领域提供基础平台㊂下一步可结合边缘计算与人工智能等技术对实时以太网数据进行分析整合,为 新基建 智能制造提供有力支撑㊂参考文献[1]代飞,吴金勇.基于V x W o r k s 操作系统的P OW E R L I N K 研究与实现[J ].机车电传动,2016(1):6770.[2]林志祥,张天宏.A RM 的嵌入式以太网通信分析与实时性改进[J ].单片机与嵌入式系统应用,2018,18(3):2328.[3]伍一帆,石旭刚,黄秀珍,等.解决以太网协议实时性的几种方案[J ].单片机与嵌入式系统应用,2008(10):811.[4]崔惠珊.基于P o w e r L i n k 的计算机联锁系统执行层设计[J ].铁道通信信号,2020,56(10):710.[5]赵赛,张凯龙.工业实时以太网E t h e r n e t P OW E R L I N K 机制研究[J ].自动化仪表,2020,41(6):5256.[6]E t h e r n e t P OW E R L I N K C o mm u n i c a t i o n P r o f i l e S pe c if i c a t i o n -V e r s i o n l .10.E P S G D r a f t S t a n d a r d 301,2008.[7]何小庆.国产嵌入式操作系统发展思考[J ].单片机与嵌入式系统应用,2019,19(12):45,10.[8]徐意泊,陈富浩,丁振华,等.基于国产龙芯2K 1000龙芯派的内核系统启动[J ].现代信息科技,2018,2(12):2934.[9]王帅,杜刚,杨超.国产平台的机载嵌入式软件仿真验证技术[J ].单片机与嵌入式系统应用,2020,20(2):57,11.[10]王帅,杜刚,陈琪.国产化操作系统R e w o r k s 的嵌入式网关软件设计[J ].单片机与嵌入式系统应用,2017,17(3):1822.黄河(工程师),主要研究方向为嵌入式系统㊁工业控制㊁机器人;杜坚(工程师),主要研究方向为工业控制;任见㊁方国好(助理工程师),钱晨(高级工程师):主要研究方向为嵌入式系统设计㊂通信作者:黄河,ye l l o w r i v e r @n t e s e c .c o m.c n ㊂(责任编辑:薛士然 收稿日期:2021-02-25)表1 进程㊁容器㊁虚拟机之间比较特性进程容器虚拟机空间隔离支持,一级MMU 支持,一级MMU支持,两级MMU进程隔离不支持支持支持文件/网络隔离不支持支持支持操作系统共享O S 共享O S独立O S 虚拟程度轻型轻型重型性能好接近宿主机本地进程弱于宿主机容器镜像小,启动速度快,部署便捷,相比虚拟机更适用于嵌入式系统㊂但是由于容器共享操作系统内核,因此安全隔离性不如虚拟机,而且稳定性还处于发展中,更新频繁㊂在强调实时性㊁安全可靠性的嵌入式系统中,需要深入研究容器实时性能及安全技术㊂参考文献[1]汪恺,张功萱,周秀敏.基于容器虚拟化技术研究[J ].计算机技术与发展,2015,25(8):138141.[2]吴松,王坤,金海.操作系统虚拟化的研究现状与展望[J ].计算机研究与发展,2019,56(1):5868.[3]张礼庆,郭栋,吴绍岭,等,一种最大化内存共享与最小化运行时环境的超轻量级容器[J ].计算机研究与发展,2019,56(7):15451555.[4]谷德贺,顾乃杰,刘博文,等.基于L X C 的A n d r o i d 系统虚拟化技术[J ].计算机系统应用,2017,26(12):5863.[5]L X C L i n u x C o n t a i n e r s [E B /O L ].[202012].h t t ps ://l i n u -x c o n t a i n e r s .o r g/.[6]王鹃,胡威,张雨菡,等.基于D o c k e r 的可信容器[J ].武汉大学学报(理学版),2017,63(2):102108.通信作者:虞保忠,y u b a o z h o n g @z ju .e d u .c n ㊂(责任编辑:薛士然 收稿日期:2020-12-28)。
解决以太网协议实时性的几种方案
解决以太网协议实时性的几种方案摘要以太网技术以其低成本、高速、高稳定性和高可靠性的优点，正逐渐向工业现场控制领域发展，但是由于以太网技术在工业现场通信方面不能满足实时性的要求，因此就诞生了许多实时以太网技术的解决方案。
本文主要介绍现今比较流行的几种实时以太网协议，以及它们如何在工业以太网的基础上对协议进行改进，以满足工业现场对实时通信的要求。
1 概述在工业控制系统中，现场总线技术的发展使智能现场设备和自动化系统以全数字式、双向传输、多分支结果的通信控制网络相连，使工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展。
但是由于各类现场总线标准之间的不可兼容性无法实现统一，阻碍了现场总线技术的发展。
另一方面，以太网技术作为垄断办公自动化领域的通信技术，以其通用性、低成本、高效率、高可靠性和高稳定性等诸多优势，得到了工控界越来越多的关注和认可。
用以太网技术来实现从管理层到工业现场层的一致性通信，人们习惯上将应用到工业领域的以太网技术称为“工业以太网”。
工业数据通信网络与信息网络不同,工业数据通信不仅要解决信号的互通和设备的互连,而且需要解决信息的互通问题,即信息的互相识别、互相理解和互可操作。
所谓信号的互通,即两个需要互相通信的设备所采用的通信介质、信号类型、信号大小、信号的输入/输出匹配等参数，以及数据链路层协议符合同一标准,不同的设备能连接在同一网络上实现互连。
如果仅仅实现设备互连,但没有统一的高层协议(如应用层协议),那么不同设备之间还是不能相互理解、识别彼此所传送的信息含义,就不能实现信息互通,也就不可能实现开放系统之间的互可操作。
互可操作性是指连接到同一网络上、不同厂家的设备之间，通过统一应用层协议进行通信与互用,性能类似的设备可以实现互换。
这是工业数据通信网络区别于一般IT网络的重要特点。
对工业控制来说，还有一个很重要的区别就是实时性。
实时性的一个重要标志就是时间的确定性，通信时数据传输时间不是随机的，而是可事先确定的。
实时的工业以太网Ethernet Powerlink
机械 （ 通信周期 ２４ ｓ 抖动 ＜ ｌ ） 它的性能都 已在现 场 ．ｍ ， ｍｓ， 中得到 了考验 。
系统来满足控制中最苛刻 的实时要求 ， 同时克服以上介绍的
传统解决方案的局限性 。 Ｅ ｈ ｒ ｅ Ｐ ｗｅｉ ｋ主要技 术指标 ：用标 准以太 网 ｔ ｅ ｎ ｔ ｏ ｌｎ
ＩＥ ８２ ３ （ ａｔＥｈ ｒ ｎｔ Ｅ Ｅ ０ ．ｕ Ｆ ｓ ｔ ｅ— ｅ）作为传输 媒介 ｝传输速率 １０ ／ ０Ｍｂ ￣使用标准Ｈ ｂ ｕ 和标准接线； 实时数据传输周期最
定义的大量设备元器件特征 ， 实现 了 Ｃ ＡＮｏ ｅ ｐ ｎ￣Ｅ Ｌ网络 Ｐ
过程所带来的延迟时间所影响， 传输时间特性受制于网络交
换器的配置而会有一些偏差 。 在高动态传动控制 中， 种偏 这 差是不允许的 且设置 网络交换器需工作人 员对网络技 术十 分 了解 ， 此外 ，其成本也相对 高。 ３ 真正实时以太网—— Ｅｈ ｒｅ Ｐｗｅｌｋ ｔｅ ｔ ｏ ｒｎ ｎ ｉ 奥地 利 贝加 莱 （ Ｂ＆Ｒ ）公司 开发 的 ＥＬ ｒ ｅ ｈｅ ｎ ｔ Ｐ ｗ ｒｎ （Ｐ ） 准是 一种可满 足最苛刻实时要求（级 ） ｏ ｅｌ ｋ Ｅ Ｌ 标 ｉ ４ 、 并 已投入实际应 用的工业 以太 网。 该公司 当初开发Ｅｈ ｒｅ ｔｅ ｔ ｎ
在工控领域 使用以太 网的一个重要 目的是 实现贯 穿管 理 层到现场层乃至传感器 、 执行器层的通信 。 各个层之 间没
有位置或系统所造成 的界线 ，通信使用 Ｉ Ｐ协议。Ｅ ｈ ｒｅ ｔｅｎ ｔ Ｐ ｗ ｒｎ ｏ ｅｌ ｋ通过 两个机制来 实现这 个 目标 ：实时和非 实时 ｉ （ ）信 息可同时传输 ；透明地在异步时间槽发送 和接 收 异步 Ｉ Ｐ协议信息 （ 图 ５ 。 如 ）
Ethernet Powerlink调度机制与实时通信剖析
置。Ｓ Ｃ Ｎ Ｍ机制规定一个 Ｅ Ｐ Ｌ网络 中只允 许有一 个激
段） ， 由 ＭＮ发布配置信 息。配置完 成后 ， 执行 Ｅ Ｐ Ｌ循 环周期 。Ｅ Ｐ Ｌ循环周期执行过程包含 以下两部分 。
ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｇ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ．ｔ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｇ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｒ ｅ ａ ｌ — ｔ ｉ ｍｅ ｃ ｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｓ ｐｅ ｃ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ． Ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｅ ｗｏ ｒ ｔ ｈ ｔ ｏ ｂ ｅ
于工 业 自动 化 应 用 是 不 可 接 受 的 。
（ Ｅ Ｐ Ｌ ） …等 。
Ｅ Ｐ Ｌ是近期很 流行 的实时 以太 网技 术 ， 已有 学者
及工 程 技 术 人 员 对 其 进 行 研 究 与 应 用 。Ｇ ｅ ｎ ａ ｌ ２ 和 Ｓ ｅ ｎ ｏ 等建立 了 Ｅ Ｐ Ｌ仿 真模 型 ， 其报警 信息最 大延 迟 低于 １ ０ ｍ ｓ ， ． 验证 了 Ｅ Ｐ Ｌ的 实时 性 。Ｓ ｅ ｎ ｏ ｌ ４ 等对 Ｅ Ｐ Ｌ
Ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ Ｃ Ａ Ｔ、 Ｐ ｒ ｏ ｉ ｆ ｎ ｅ ｔ 、 Ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ ／ Ｉ Ｐ及 Ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｌ ｉ ｎ ｋ
准） 的基 础 之 上 。传 统 以 太 网 以载 波 监 听 多路 访
Ethernet POWERLINK发展现状和openPOWERLINK源代码
Ethernet POWERLINK发展现状和openPOWERLINK源代码一．为什么需要实时以太网1标准以太网的实时局限性目前，标准以太网可达到100Mb/s甚至1000Mb/s的传输速度，远快于任何现场总线系统。
但对于工业控制来说，比传输速率更重要的是实时性。
实时性的一个重要标志是时间的确定性，通信时数据传输时间不是随机的，而是可事先准确预测的。
以太网虽有很高传输速率却不能保证实现控制设备间的实时通信。
标准以太网IEEE802.3的通信机制使数据传输时间可被任意推迟，也就谈不上实时性。
而在工控领域中，特别是在对高动态过程的控制中，实时性却必不可少。
普通以太网产生这种通信时间不确定性的原因，是它对物理介质的访问机制CSMA/CD。
CSMA/CD是以太网标准IEEE802.3的核心，如在尽量不改变现有标准前提下想在工控领域中充分利用以太网优点，就须找到一种方法保证以太网中数据传输时间确定性，使其实现实时通信。
2工业控制要求很高的实时性在工业控制系统中，实时可定义为系统对某事件响应时间的可预测性。
一个事件发生后，系统须在一个可准确预见的时间范围内作出反应。
至于反应时间须有多快，由被控制过程决定。
化工热化过程控制有秒级别的反应时间就足够，而在高动态传动控制中系统反应时间必须达到微秒级。
另外，还可把工控中的实时性分为硬实时和软实时两种不同类别（它们之间没有明显界线）。
硬实时：控制中系统响应时间要求如达不到将导致致命后果（如汽车ABS、飞机、工具机床等）。
软实时：系统响应时间如达不到要求仅影响系统控制质量，而不会造成严重后果（如楼宇系统、电梯、仓库管理等）。
正是因为以上两点原因，在普通以太网的基础上提出了实时以太网的概念，而Ethernet POWERLINK是工业以太网的佼佼者。
二．openPOWERLINK协议栈源代码思泰公司的开源协议堆栈POWERLINK协议堆栈可以作为一个通用版本的源代码来使用。
基于FPGA的实时以太网(PowerLink)星载通信技术
基于FPGA的实时以太网(PowerLink)星载通信技术钟铁君;李华旺;常亮【摘要】在卫星中使用以太网的目的是为了在获得灵活的通信接入的同时得到高速的通信速率,并且能满足安全关键场合通信对实时性和确定性的要求.针对国内在空间应用上还未大规模使用以太网这一现实,着眼于解决以太网应用到航天器内部所碰到的实时性、确定性的瓶颈问题,本文对一种有潜力应用到卫星内部的实时以太网(Powerlink)进行研究.在FPGA内部实现Mircoblaze嵌入式系统,外接以太网PHY芯片实现协议栈物理层功能,二者结合为Powerlink协议栈提供运行环境.通过实验验证了设计的可靠性和正确性,可为Poweflink在航天领域的研究与应用提供借鉴.%The main purpose to use Ethernet in satellite is to take advantage of its flexibility to meet the requirement of communicationaccess,simultaneously take into account that Ethernet has high data rates,and expect that it has both real-time and deterministic in safety field.Focus on the situation in China that the Ethernet has not been large-scale used in space,tend to solve the problem of real-time or deterministic encountered inside the spacecraft.A real-time Ethernet (Powerlink)that has the potential to be used in the satellite is studied in this paper.Mircoblaze embedded system is implemented in FPGA and Ethernet chip is externally plugged to realize the physical layer functions of protocol stack,the combination provided the processing environment for Powerlink protocol stack.The reliability and accuracy of the design is proved through experiments and the results of the paper can provide a guideline for Powerlink research in the field of space application.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2018(026)001【总页数】5页(P144-147,152)【关键词】FPGA;实时以太网;POWERLINK;片上可编程系统【作者】钟铁君;李华旺;常亮【作者单位】中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050;上海微小卫星工程中心上海201203;中国科学院大学北京101407;中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050;上海微小卫星工程中心上海201203;中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050;上海微小卫星工程中心上海201203【正文语种】中文【中图分类】TN913目前国内在航天器上采用的总线主要是CAN总线和1533B总线等传统总线，随着中国航天和空间技术的快速发展，航天器对其内部总线的通信性能提出了越来越高的要求，传统总线的工作方式的已经难以满足航天器对其内部通信系统提出的新要求[1]。
基于POWERLINK工业实时以太网多接口路由器[实用新型专利]
![基于POWERLINK工业实时以太网多接口路由器[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/75a994cb5901020206409c51.png)
专利名称：基于POWERLINK工业实时以太网多接口路由器专利类型：实用新型专利
发明人：蒋茨林,刘效东
申请号：CN201920301596.7
申请日：20190311
公开号：CN209659330U
公开日：
20191119
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开一种基于PWOERLINK工业实时以太网多接口路由器，包括主控制器；因主控制器包括Cortex‑M3处理器，外围电路；使用时，利用Cortex‑M3处理器将POWERLINK接口，RS485接口，CAN总线接口，ZigBee通信接口电路，RF433模块接口，WIFI通信接口连接在一起构成FPGA硬件平台，FPGA硬件平台中MSP430单片机主要负责ZigBee通信接口电路的通信，通过UART与主控制器进行数据交互。
POWERLINK接口采用基于FPGA的通信通道，其与主控制器之间通过SPI实现数据交互，再利用主控制器完成各个接口方式的通信以及协议之间的转换，消除现场总线多标准并存和不同网络通信接口之间协议差异，扩展数据采集范围不同的技术问题，实现多种网络之间互通的方便综合管理工业现场所有设备的功能。
申请人：深圳市鑫金浪电子有限公司
地址：518000 广东省深圳市宝安区石岩街道塘头社区厂房A栋四楼至五层
国籍：CN
代理机构：深圳市中联专利代理有限公司
代理人：李俊
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十一种工业实时以太网系统结构概论
种主要类型的现场总线、工业以太网和实时以太网，具体类
型详见表 １。 表１ ＩＥＣ６１１５８ Ｅｄ．４ 现场总线类型
表 １ 中的 Ｔｙｐｅ１ 是原 ＩＥＣ６１１５８ 第一版技术规范的内容， 由于该总线主要依据 ＦＦ 现场总线和部分吸收 ＷｏｒｌｄＦＩＰ 现场 总线技术制定的，所以经常被理解为ＦＦ现场总线。Ｔｙｐｅ２ ＣＩＰ （Ｃｏｍｍｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）包括 ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ、Ｃｏｎｔｒｏｌｎｅｔ现场 总线和Ｅｔｈｅｒｎｅｔ／ＩＰ实时以太网。Ｔｙｐｅ６ ＳｗｉｆｔＮｅｔ现场总线由 于市场推广应用很不理想，在第四版标准中被撤消。Ｔｙｐｅ１４ 是我国的ＥＰＡ（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｆｏｒ Ｐｌａｎｔ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）实时以太网。 ２００５ 年 １２ 月 ＥＰＡ 正式进入 ＩＥＣ６１１５８ 第四版标准，成为 ＩＥＣ
的网段是第一网段（一组从站），同时该网段可通过总线耦 合器扩展更多网段。在此基础上，开发了 ＩＮＴＥＲＢＵＳ ＴＣＰ／ ＩＰ 实时以太网，在 ＩＮＴＥＲＢＵＳ 通信协议中，予定义的 ６／２ 行 规中规定：通过 ＡＲ－Ｓｅｎｄ－Ｄａｔａ－Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅ 可以透明访问 ＩＮＴＥＲＢＵＳ 设备，它适合于带有其他协议栈如 ＴＣＰ／ＩＰ 和基 于 ＴＣＰ／ＩＰ 应用程序的设备，该协议栈使用 ＡＲ－Ｓｅｎｄ－Ｄａｔａ－ Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅ 而不影响行规定义。
图３ Ｐ－ＮＥＴ ｏｎ ＩＰ实时以太网系统结构
４．４ ＩＮＴＥＲＢＵＳ ＴＣＰ／ＩＰ 实时以太网
ＩＮＴＥＲＢＵＳ 现场总线早在 １９８４ 年就由德国 Ｐｈｏｅｎｉｘ Ｃｏｎ－ ｔａｃｔ公司研发，并得到Ｉｎｔｅｒｂｕｓ ｃｌｕｂ国际组织的支持。ＩＮＴＥＲ－ ＢＵＳ 在全球有 １０００ 多家总线设备生产商，提供多达 ２５００ 种 产品，到目前为止，在世界各地的节点安装量突破１１００万个。
POWERLINK技术研究
从站接收SoC的抖动
POWERLINK的同步精度
星型拓扑
− SoC同步，各节点的线缆长度5ns/m，可补偿
线型拓扑
− Hub延时（主要是PHY接收与转发导致），580ns/Hub，可补偿 − 线缆延时，可补偿
星型结构
菊花链-无补偿
菊花链-补偿
主站冗余切换时间
2-3个通信周期
PLC
PLC
T = (Tbase + Tm*N)μs 其中Tbase为基本的时间，即主站准备SoC，SoA，Preq等的时间 Tm与主站和从站有关，如果主站性能高，Tm=15μ（增加一个站点增加Preq/Pres帧），主站性能一般 时则取决于主站，如Zynq平台Tm=27，Cortex M4平台Tm=60（数据来自迈信） N为站点数量
POWERLINK
工业实时以太网
POWERLINK技术现状
通信周期 周期抖动 同步精度
注：以上数据为当前的测试数据，我们在持续优化中，新的 数据我们会一个季度更新一次 欢迎发邮件探讨：fuchun.zhao@
2013年12月31日星期二
说明
POWERLINK是基于时间片的硬实时以太网技术，可以通过软件或者纯硬件实现。其中软 件协议栈为开源方案，已成功用于迈信伺服，华兴数控系统，南瑞DCS系统等。硬件方案 专为超高速应用设计，不开源，但此方案对外提供。 基于FPGA的开源POWERLINK方案里包括openMAC，该设计针对POWERLINK应用进行 了很多优化加速。 POWERLINK系统的通信周期可以近似为：
从站最短通信周期：从站的瓶颈在于对中断的响应和数据帧解析，所以不同的硬件平台的 从站能接受的最短通信周期也有所不同
POWERLINK平台—FPGA
powerlink协议
powerlink协议Powerlink协议是一种用于建立和管理网络设备之间连接的协议。
它可以帮助设备之间进行快速、可靠的通信，同时也能够提供一些额外的功能，比如网络管理和安全性控制。
在本文中，我们将深入探讨Powerlink协议的原理、特点和应用，希望能够帮助大家更好地理解和应用这一协议。
首先，让我们来了解一下Powerlink协议的原理。
Powerlink协议是基于以太网技术的一种实时通信协议，它使用了Ethernet通信的物理层和数据链路层，同时还引入了一些实时通信的机制，比如时间同步和数据帧的优先级控制。
这些机制可以确保网络设备之间的通信具有高实时性和可靠性，非常适合工业控制和自动化领域的应用。
其次，Powerlink协议具有一些特点，使其在实时通信领域具有一定的优势。
首先，Powerlink协议支持分布式时钟同步，可以确保网络中的所有设备都能够按照同一个时间基准进行通信，从而实现高精度的同步控制。
其次，Powerlink协议还支持网络中断恢复和自动拓扑重构，可以在网络中出现故障时自动进行恢复和重建，提高了网络的可靠性和稳定性。
此外，Powerlink协议还支持实时数据传输和优先级控制，可以确保重要数据的及时传输和处理，满足实时控制的需求。
最后，让我们来看一下Powerlink协议的应用领域。
由于其高实时性和可靠性，Powerlink协议在工业控制和自动化领域得到了广泛的应用。
比如，在机器人控制系统中，Powerlink协议可以确保各个关键部件之间的及时通信和协调，提高了机器人系统的精度和稳定性。
在工厂自动化系统中，Powerlink协议可以实现各个设备之间的高效协作，提高了生产效率和质量。
此外，Powerlink协议还可以应用于航空航天、医疗设备等领域，为这些领域的实时控制需求提供了可靠的解决方案。
综上所述，Powerlink协议是一种基于以太网的实时通信协议，具有高实时性和可靠性，适用于工业控制和自动化领域的应用。
[A8]Powerlink基本原理介绍
![[A8]Powerlink基本原理介绍](https://img.taocdn.com/s3/m/bb2896a185868762caaedd3383c4bb4cf7ecb72a.png)
[A8]Powerlink基本原理介绍[A8]POWERLINK 1、以太网介绍1.1 背景现场总线由来已久，几种出现较早、应用较多的现场总线，如CAN、deviceNet、modBus、RS485 等，这些总线速度慢、每次传输的数据包小。
随着工业自动化由低速向高速、由低精度向高精度、由集中式控制向分布式控制的发展，对现场总线的传输速度和数据量都提出了新的要求。
在这种背景下，诞生了基于以太网技术来实现现场总线，如 POWERLINK、 EtherNet/IP、ModBusTCP、ProfinetRT、EtherCat、MECHATROLINK 等。
1.2 实时以太网比较下表对主要的实时以太网技术的关键参数进行了比较。
Ethernet 比较项抖动循环周期传输距离直接交叉通信介质历史是否需特殊硬件是否需要 RTOS 开放性原始技术硬件实现软件实现始创公司推广组织节点安装数拓扑结构同步方式网络编程网络关注动态配置 POWERLINK<<1uS 100uS(Max) 100m Yes 双绞线/M12/光纤 2001.11 无特殊硬件需求 No 开源技术双绞线 IRT 尚未发布 Yes/ASIC Yes 需授权ProfiNet IRT1uS 1ms 100mSERCOSIII<1uS 25us 40m Yes 光纤 2007 FPGA Or ASIC Yes 需授权EtherCAT<<1uS 100uS 100mEthernet/IP CIP<1uS 100uS 100m双绞线/M12 2007 Yes:从站 ASIC Yes 需授权 CANopen光纤 CIP Sync 尚未发布 ASIC No 需授权 DeviceNet ControlNet 简单复杂 Rockwell AB ODVA Unvaliable 任意拓扑 IEEE1588 时钟同步简单CANopen 简单简单B&R EPSG 大于600,000 任意拓扑IEEE1588 时钟同步简单ProfiBus 复杂简单 SIEMENS PNO Unvaliable 受限 IEEE1588 时钟同步复杂现场总线SERCOS 复杂复杂 Rexroth IGS 未知受限（环形）SERCOS 简单复杂 Beckhoff ETG 未知受限（环形）分布时钟复杂复杂 I/OI/O,运动控制,Safety 可以运动控制可以运动控制否运动控制,Safety 否I/O,运动控制，Safety 可以1.3 POWERLINK 简介通过以上表格，可以看出几种计较而言，以POWERLINK 为方案的以太网具有诸多优势和便利。
(完整版)Powerlink实时以太网介绍
CN1
CN2
同步阶段
Preq CNx
Pres CNx
SOA
SOC 主站
异步数据
从站
异步阶段
2020/2/20
6/30
上海新时达电气股份有公司
1.2 Powerlink协议栈
协议栈模型
2020/2/20
7/30
上海新时达电气股份有公司
1.3 Powerlink特点
FPGA(NIOS)开源，OpenPowerlink协议栈开 源
3.3 引申--跨平台的程序
跨平台的程序或开源代码或例子程序移植
CPU位数、特色（除法器、浮点单元）、 ARM/X86
大小端 内存对齐 编译器
附加选项定义 库定义如memcpy等
2020/2/20
21/30
上海新时达电气股份有公司
4. B&R交流合作
4.1 控制器结构、思想
控制库：IO->Driver->Motion->Robot 双系统实时任务（Windows NT+ VxWorks+AS
0xEC002F00L；ARM ITM； 注意多中断干扰、 FSMC时序、堆栈大小、执行时间 注意内存对齐等和编译器相关的选项（跨平台器件编
程） 如果有标准，就参照标准来，如IEC 61800/402 增加主动性，不要等别人，如B&R和机器人部 …
2020/2/20
20/30
上海新时达电气股份有公司
方案
支持PLC\APC
User Task STEP Task
AS Lib
Additional Cia 420 Task
+ Cia 402 State Machine Cia 402 Variable Mapping Cia 402 Initialization
基于Powerlink的以太网实时控制
四、运动控制接口
通信部分 PDO 对 象 SDO 对 象 特殊功能对象 NM T对 象
对象词典 数据对象 通信对象 应用对象
应用部分 应用程序 设备描述
图 3 PowerLink 设备模型
对象字典（ OD ： Object Dictionary ）是一个有序的对象组；它通过一种逻辑寻址 <index ，sub-index> 的机制提供了对所有重要数据、参数、设备的功能进行访问的能力， 也就是说，网络上的所有设备都具有相同的数据结构。对象词典 (object dictionary) 的每 个入口点都是通过一个 16 进制的 <index> 进行索引的，可以有 255 个子索引 <subindex> ，子索引一般情况下整合了相同类型的数据或数组。 CANopen 网络中每个节点 都有一个对象字典。对象字典包含了描述这个设备和它的网络行为的所有参数。
实时性实现 三、 三、实时性实现 A、同步通信
同步通信就是要求接受端得时钟频率和发送端得时钟频率相等， 这常称为收发双方 的时钟是同步的，以便使接受端对收到的比特流的采样判决的时间是准确的。当收发双 方的时钟不是精确同步时， 在接受端对收到的码元进行判决的时间就会逐渐向前或向 后 移动。当接收端得判决点移动的时间超过码元宽度的一半时（本来判决点应当处于每一 个码元的中间） ，就要产生差错（比特重读或漏读） ，这就是所谓的滑动。 严格的同步通信是用一个非常精确的主时钟负责全网的同步， 全网的其他所有的时 钟频率都来自这个主时钟的频率。 异步通信则采用另一种方法。这就是在发送端将欲发送的数据以字节（ 8 比特）为 单位进行逐个字节的封装，即对每一个字节增加一个起始比特和一个停止比特，共 10 个比特，然后将这 10 比特的数据单元一一发送出去。接收端得时钟并没有和发送端得 时钟同步，但接受端每收到一个起始比特。因此，即使接收端的时钟不太准确，只要他 能够保证接受 10 个比特就行 （如果在判决第 10 个比特采样点的移动已超过半个比特 的 宽度，那么这种低精度的时钟就不能使用） ，异步通信是通过增加通信开销（每发送 10 个比特就有两个比特的额外开销）使接收端能够使用廉价的、具有一般精度的时钟来进 行数据通信。 异步通信也包含某种意义上的同步通信。
真正的实时工业以太网技术Ethernet POWERLINK
盟成立 ２ ０ 年６ Ｐ Ｇ ０３ 月Ｅ Ｓ 协会成立并和 ＣＡ（Ａ ｎ Ａ ｔ ａｉｎ开展合作 ， ｉ Ｃ Ｎ ｉ ｕｏ ｔ ） ｍ ｏ 同
年１ 月由ＥＳ 介绍Ｅ ｅ ｅ Ｐ ＷＥＬ Ｋ １ ＰＧ ｔ ｒ ｔ Ｏ ＲＩ ｈ ｎ Ｎ Ｖ 。 目前为止 有超过３ 万个节点投 ２到 Ｏ
（） ２ 真正的确定性通信 ： （） ２ 由于任务越来越多 ．越来越复 （） ａ 达到ＩＯ Ａ实时等级４ 最高 ＡＮ 级（ 等级 ） ： （） ｂ 快速 １Ｏ ｂ ｓ Ｍ ／ 最小循环周期 Ｏ
２０ ： ０ ￣ｓ
（） ｂ 支持 Ｉ协议 （Ｃ Ｕ Ｐ ： Ｐ Ｔ Ｐ Ｄ …）
奥地利贝加莱 （＆ ） Ｂ Ｒ 公司以快速以
太网为基础 开发出了真正的实时工业
以太 网—— Ｅｈｒｅ Ｐ ＷＥ Ｌ Ｋ ｔｅ ｔ Ｏ Ｒ Ｉ 。贝加 ｎ Ｎ
莱 ２０ 年 首 次 向 公 众 介 绍 Ｅ ｅ ｅ ０１ ｔｒｔ ｈ ｎ
Ｐ ＷＥＬ Ｋ 同年 １ 月 Ｅ Ｓ （ｔｅ ｅ Ｏ ＲＩ Ｎ １ ＰＧ Ｅ ｒ ｔ ｈ ｎ
图１ Ｌ 参考模型
世 界 仪 表 与自 动 化
— — 一
６ ７
维普资讯
真正的实时工业以 太网技术Ｅ ｅ ｅＰ ＷＥ Ｌ Ｋ ｔ ｒ ｔＯ ＲＩ ｈ ｎ Ｎ
（） ６ 支持多 Ｃ Ｕ Ｐ 解决方案 ，优化负 载， 使之大体平衡 。
ＳＮ Ｃ Ｍ给同步数据和异步数据分配 时槽 ，保证 了在同一时间只有一个设备
可以占用网络媒介 ，从而彻底杜绝了网
络冲突的发生。 Ｃ Ｍ由Ｅ Ｌ ＳＮ Ｐ 网络中的管
理 节点 Ｍ （ ａａｉ ｏ ｅ来 管理 ，其 Ｎ Ｍ ｎｇ ｇ Ｎ ｄ ） ｎ
powerlink
POWELINK的原理是一种基于普通以太网，却无须专业芯片，可以在各种平台（例如FPGA,ARM 等）上实现的。
高实时性的、开源的现场总线方案。
首先，POWELINK遵循IEC国际标准；通信描述IEC61784-2,服务和协议描述IEC61158-300、IEC61158-400、IEC61158-500、IEC61158-600设备描述ISO15745-1。
POWELINK是一个三层通信网络，它规定了物理层，数据链层，应用层。
物理层物理层：描述数据传输的机械特性例如插件形状和尺寸，电气特性如最大传输功率的说明，功能特性人某种电平表示何种意义，规程特性人各信号线的工作的先后顺序。
POWELINK的物理层遵循IEE802.3快速以太网标准，这意味着只要有以太网的地方就可以实现POWEKINK，而以以太网技术的进步就会带来POWELINK的技术进步，目前支持10M/100M/1000M的以太网，只要在驱动程序做小小的改动就可以支持10G的以太网，用户可以购买普通的以太控制芯片来实现它的物理层，这是POWELINK的实现低成本的一个原因数据链路层这一层是POWELINK的核心，主要功能有构建数据帧、对数据帧定界、网络同步、数据帧收发顺序控制、实时通信的传输控制等。
POWELINK有两种通信机制：请求-应答模式、定时主动上报模式（PRC）请求-应答模式PRC模式POWERLINK通信一共5种数据帧：SoC、Preq、Pres、SoA、AsyncData。
一个完整的时钟周期包含同步和异步阶段，SoC到SoA是同步阶段，SoA到AsyncData 是异步阶段。
SoC是同步信号，每个循环周期的开始主站都会广播一个SoC信号，实现时钟同步和动作同步。
SoA是异步信号，包含请求哪个从站上报数据，AsyncData包含从站上报的数据，但每个周期只能有一个从站上报异步数据。
POWERLINK的多路复用机制解决快速和慢速设备。
POWERLINK技术组织、通信行规规范与技术应用
POWERLINK技术组织、通信行规规范与技术应用李玉敏【摘要】以太网POWERLINK标准化组织（EPSG）2003年成立于瑞士，其目的是为了POWERLINK技术的标准化、市场推广和进一步发展。
全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（SAC/TC124）秘书处2011年12月完成了POWERLINK标准转化制定工作，并经中华人民共和国国家标准2011年第23号公告批准2012年7月1日正式实施的GB/T 27960—2011《以太网POWERLINK通信行规规范》。
POWERLINK用于工业领域的主要特征——融合了以太网和CANopen的特性，集成了三个不同领域的特性和能力。
POWERLINK中国用户组织的团队包括中科院沈阳自动化所、华桑、KW、Wind River、HMS、Systec、Infoteam、XILINX、ALTERA等众多企业一同为企业提供技术支持，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）提供产品测试与认证，POWERLINK在中国具有完整的支撑体系。
【期刊名称】《电器工业》【年(卷),期】2015(000)011【总页数】6页(P72-77)【关键词】以太网;POWERLINK;通信;行规规范;技术特点;应用案例【作者】李玉敏【作者单位】机械工业仪器仪表综合技术经济研究所【正文语种】中文1 POWERLINK国际技术组织（EPSG）以太网POWERLINK标准化组织（EPSG）在2003年成立于瑞士，是为了POWERLINK技术的标准化、市场推广和进一步发展，最初出现在公众业界面前是2001年。
其是独立于制造商和完全基于软件的实时通信系统，自2008年以来，是一种免费开放源代码的解决方案。
EPSG设在德国柏林的POWERLINK办公室负责处理公共关系，协调共享项目实施，对现有和潜在成员提供技术和市场等信息。
POWERLINK国际技术组织结构如图1所示。
POWERLINK组织成员收益：1）贸易展览会——纽伦堡、汉诺威、帕尔马、巴黎、上海等，可以利用这种遍布世界各地的机会，在EPSG的展位中展示产品；2）路演——参加路演，可以在新产业中建立有价值的商业联系；3）网站——在EPSG的网站上，可以用耀眼的技术展示公司和产品，吸引潜在客户；4）刊物——为EPSG刊物提供有趣和有价值的内容；5）技术报告/新闻稿——可以通过超过100种商业杂志促销公司的产品，带来巨大的商业收益；6）通讯——EPSG通讯可以作为一种在线平台，告知全球的POWERLINK社区有关创新的信息；7）标准化和认证——使用指定的工具，能有效地准备产品认证，这是一种优势，测试其是否符合POWERLINK连接的相关规范。
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实时以太网POWERLINK技术基础摘要：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,PDO1.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？CSMA/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。
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 CANopenCANopen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：z POWERLINK无需做较多的改动即可实现；z保护原有投资的利益；z开放性的接口；POWERLINK基础性能指标z 100Mbps传输速度-未来提供10Ghz以太网技术z刷新周期（最小）100uSz抖动<<1uSz传输距离：100m/节点间距z支持任意网络拓扑结构z实时操作系统非必要z轮询方式,支持Client/Server和Producer/Consumer模式z M12 & RJ45连接头z IEEE802.3标准以太网介质传输z支持光纤连接z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：z中央和非中央控制设计（集中或分布式控制设计）z控制器－控制器通信z主轴直接给从轴设定值z编码器值的直接传递z直接事件传播z减少主站负载或者应用负载z多种模式，最小的数据负载z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。