实时以太网 Ethernet PowerLink技术综述

实时以太网Ethernet PowerLink技术综述
一、工业控制中对实时以太网的需求
工业中对实时以太网的需求主要有两个指标：一是实时性，二是抖动性能。

1.1实时性
什么是实时性，实时性不等于高性能。

在工业控制领域，实时可定义为系统对某事件的响应可以再可预测的时间内完成。

即实时性是指系统可以在一个预定的时间范围内做出相应的响应。

至于预定的时间范围则和具体的应用相关。

根据应用需求一般把实时性划分为四个级别，如下表1所示。

表1 工业自动化领域中各应用场合对实时性的要求
应用场合实时响应时间
信息集成度较低的过程自动化应用场合>100ms
绝大多数的工厂自动化应用场合1-100ms
高性能的运动控制应用100us-1ms
高动态同步过程<100us
如表1所示，信息集成度较低的过程自动化应用场合（如化工工程工业）中，一般响应在秒级/（）100ms）就可以满足系统的实时性要求；而在绝大多数工厂自动化应用场合一般5-10ms响应时间就可以满足要求了；但是在在高性能同步运动控制（高速过程、机器人）中一般是需要小于1ms的实时响应时间才能满足系统的要求；另外将高动态同步过程等实时性要求更高（<100us）的应用划为第四个等级。

1.2抖动
抖动即同样过程每次完成时间的偏差。

可以理解为时间精度，如下图1所示。

图 1 抖动时间示意图
根据工业自动化开放网络联盟（IAONA）的定义实时性中网络抖动可以分为四个级别，
如下表2.2所示
表2.2 IAONA规定的网络抖动时间等级
1.3通信周期
一般来说，控制系统程序都是以周期循环的方式运行，在一个周期内，获取数据，然后完成计算任务，接着输出数据，这样进入下一个周期。

显然，控制系统时间周期是由被控对象来确定的，对于化工过程控制以1秒作为时间周期基本上就能满足要求了，可是对于高速过程就得以小于1ms的时间作为周期才能满足系统要求。

对于联网设备来说，一般系统的运行周期与通信周期相对应是比较合适的。

因为对于化工过程控制400us的通信周期显然并不比1s的通信周期能提高系统的整体性能。

但是在位置控制、多轴联动等过程中，更快的数据交换速率显然是可以提高系统的整体性能的。

二、PowerLink的技术特点
PowerLink主要有两方面的技术特点：一是实现了与IT技术的无缝连接，可以继续使用IP协议族；另一方面是开发了新的网络协议栈取代了传统的TCP/IP 协议栈，从根本上实现了网络数据的实时有效管理。

这两方面并不矛盾，在下一节再作说明。

2.1实现与IT技术的无缝连接
PowerLink通信模型采用3层结构，其与ISO参考模型的对照如下图2所示。

ISO参考模型PowerLink通信模型
由于PowerLink的底层是并采用IEEE802.3u标准，所以在中间层、以及顶层，可以实现IT技术的链接。

通过中间层的管理，系统可以在规定的时间内使用FTP、HTTP等非实时模块协议来通信。

2.2新的网络协议栈
PowerLink底层使用的是快速以太网标准，但是快速以太网不能避免数据的碰撞。

为此，PoweLink使用SCNM（Slot Communication Network Management）机制来避免数据碰撞。

如下PowerLink的协议栈示意图，数据链路层的逻辑链路子层、NMT模块、SDO序列以及UDP、TCP、IP组成了协议栈的中间层（数据传输服务层）。

应用层数据分三类到达数据链路层的逻辑链路子层，即：PDO、SDO和IP数据包。

PDO属于实时数据，会立即经由数据链路层发出；SDO属于网络网管理数据，首先到达SDO序列，然后在规定时间直接发往数据链路层，或者由UDP在异步阶段发往数据链路层；IP数据包（包括TCP和UDP）一律中异步阶段发送。

数
据的接受也是遵循类似的优先级。

图3 POWERLINK 通信栈结构示意图
三、 PowerLink 的报文格式
由于PowerLink 底层采用IEEE802.3u 标准，所以PowerLink 帧具有标准的以太网头部和尾部（14+4字节）。

另外PowerLink 首部有3字节，分别是：SID 、DA 和SA 。

SID 即Server Identity ，指明PowerLink 的服务类型，可取值为：SoC 、PReq
、PRes 、SoA 、ASnd （其具体的含义参见下一节）。

DA ，SA 分别为目标地址、源地址（即节点号）。

图 4 PowerLink 帧格式
应用层数据之后还有四字节的CRC （及以太网标准尾部）。

下面分别说明SoC 、PReq 、PRes 、SoA 、ASnd 帧格式，以整个帧的第14位（）为0偏移位来
说明这五种帧。

所以，对于第0、1、2字节（即EPL首部）不再重复说明。

3.1SoC (Start of Cyclic)帧格式
SoC帧格式如下图5所示。

图 5 SoC帧格式
MS：即Multiplexed Cycle Completed，复用循环完成时翻转（未理解）
PS：即Prescaled Slot，此标志为用于慢速节点（即并不是每个周期都动作的节点）NetTime：可选项，为网络时钟，在采用IEEE1558协议时可采用。

RelativeTime：实时时钟，每生成一个SoC就加一次循环时间，在NMT状态机为NMT_GS_INITIALISING状态时归0.
3.2PReq(PollRequest)帧格式
PReq帧格式如下图6所示。

MS：即Multiplexed Slot。

EA：Exception Acknowledge，错误信号。

RD：Ready，若负载有效，则该位由MN值位。

PDOVersion：负载所使用的PDO编码版本
Size：负载的字节数
Payload：负载数据
图 6 PReq帧格式
3.3PRes(PollResponse)帧格式
PRes帧格式如下图7所示。

图7 PRes帧格式
NMTStatus：报告CN节点现阶段NMT状态机状态。

MS：Multiplexed Slot，其他CN可以获知这一信息。

EN：Exception New，错误信息。

RD：Ready，若负载有效，则该位由MN值位。

PR：Priority，声明异步阶段需发送的信息的优先级。

RS：Request To Send，声明异步阶段需发送的帧数目。

PDOVersion：负载所使用的PDO编码版本。

Size：负载的字节数。

Payload：负载数据。

3.4SoA(Start of Asynchronous)帧格式
SoA帧结构如下图8所示。

图8 SoA帧格式
NMTStatus：报告MN节点现阶段NMT状态机状态。

EA：Exception Acknowledge，错误信息。

ER：Exception Reset，错误信息。

RequestedServiceID：指明下一个允许发送的异步信息的类型
RequestedServiceTarget：指明那个节点允许发送异步信息。

EPLVersion：声明MN的EPL版本号。

3.5ASnd (Asynchronous Send )帧格式
ASnd帧结构如下图9所示。

ServiceID：异步帧的类型。

Payload：当前类型的异步帧的负载。

图9 ASnd帧格式
四、PowerLink的工作原理
4.1拓扑结构
一般来说，PowerLink网络可以通过Hub来实现任意拓扑结构，由于任一时刻网络中至多只有一个节点发送数据，所以理论上Hub的数目是不限的（但只允许最多10个Hub级联）。

EPL（Ethernet PowerLink）网络一般不使用网络交换器，因为网络交换器使用网络层协议，会产生更高的系统延时和抖动（Jitter）。

EPL网络的逻辑拓扑结构是环形的，这是由EPL网络的轮询分时机制决定的。

4.2工作模式
EPL工作模式分为保护模式、开放模式和基本以太网模式。

保护模式
保护模式下，标准以太网设备与EPL网络之间设置网关进行隔离。

这种模式下系统可以适应更为苛刻的实时性要求。

由于存储转发及切换时间的迟延和不确定性，保护模式不允许使用以太网交换机，只能使用基于数据链路层的集线器（要
求为单速集线器）。

●开放模式
开放模式下允Powerlink 网络中直接连接标准以太网设备,即不需要与以太网分离。

标准以太网设备可以直接访问Powerlink 节点。

当然这种模式仅适合于对实时性要求不高的应用场合。

这种模式网络中下可以使用快速以太网交换机。

●基本以太网模式
这时候Powerlink 节点就成为标准以太网设备。

4.3工作原理
PowerLink为避免数据冲突（及两个或两个以上节点同时访问总线），采取SCNM机制给个节点分配时间槽。

PowerLink在通信管理上为主从式（M/S）网络中只能有一个主节点（MN）和至多253个控制节点（CN）。

时间槽通信周期包括起始阶段、同步阶段、异步阶段和空现阶段四个阶段，如下图10所示。

四个阶段的时间有MN预先设定，可以不同。

MN负责监督各阶段循环时间，以防止不同阶段发生冲突，一旦发生冲突，MN自动延续到下一循环的开始为止。

●起始阶段
起始阶段，MN广播发送SoC（Start of Cyclic）帧，其他CN将接收到此帧的时间作为本节点的时序基础，就此同步。

整个通信周期中，只有SoC帧是时间驱动的，其他的都是事件驱动。

●同步阶段
同步阶段，所有节点进行同步信息交换，MN以轮询方式按照预先定义的顺序依次单向的向个CN节点发送PollReq（PollRequest）帧，CN节点响应广播PollRes（PollResponse）帧，其他所有节点（当然也包括那些应该接收此帧的节点）都可以接收、监督此PollRes帧。

所有激活的CN都轮询完毕后，MN 发送EoC（End of Cyclic）帧，结束同步阶段。

●异步阶段
异步阶段，节点间交换非实时信息。

MN发送SoA（Start of Asynchronous）帧。

SoA帧用来标记非激活的帧，若某CN有响应，此相应的标记为激活CN。

若某个已激活的节点需要发送非实时信息，则在之前同步阶段的PollRes帧中
向MN节点声明，这样MN异步调度器就会安排此节点发送异步信息的时间。

空现阶段
空现阶段是异步阶段结束和下一循环开始之间的时间间隔，时间间隔长度是个变量，可以设置为0。

.
同步阶段异步阶段空闲阶段
图10 EPL通信周期四阶段示意图
MN配置有所有网络中的节点列表，MN启动时，所有CN被设置为非激活状态（InActive），在异步阶段的IdentRequest帧（一种特殊的SoA帧）访问所有InActive状态的CN，CN接收到此帧后，在同一异步周期返回identResponse 帧，MN接收到此帧后，将此节点标记为Active状态。

同样新设备的添加或替换标识都是在异步阶段完成的。

为了平衡网络负载，EPL将控制分为两种类型，如下图11所示：
类型一：循环访问，即每个通信周期都将进行此对象的访问，如下图6中的1
、
2号节点
类型二：预设定比例访问，一次通信周期中访问访问全部类型一的对象和部分类型二的对象，如下图6中的3-8号节点。

图11 EPL网络平衡负载访问机制。