POWERLINK 工业实时以太网协议简介

简介: POWERLINK 工业实时以太网协议简介

高端制造,在当前历史背景下独立自主是必经之路。先进技术是买不来的,高端制造是国之重器。


何为POWERLINK ?先来说下什么是工业以太网。


工业以太网


平常我们听的最多用的最多的Internet互联网,应用上使用多的也是http,ftp等应用层协议。


工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术。在技术上与商用以太网(即IEEE 802.3标准)兼容,但是实际产品和应用却又完全不同。这主要表现普通商用以太网的产品设计时,在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面不能满足工业现场的需要,故在工业现场控制应用(如现场各种伺服电机的运动控制)与商用以太网不同的工业以太网。


当以太网用于信息技术时,应用层包括HT-TP、FTP、SNMP等常用协议,但当它用于工业控制时,体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。以太网的速率要比传统现场总线要快的多,以太网的引入将为控制系统的后续发展提供可能性,用户在技术升级方面无需独自的研究投入,对于这一点,任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。同时,机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能,通信协议有更高的灵活性,这些要求以太网都能很好地满足。


基于物理层(如串口232,485,或Ethernet)传输的底层链路,产生了各种总线技术。


总线技术介绍


总线技术由来已久,几种出现较早、应用较多的现场总线,如 CAN、RS485 等,这些 总线传输速度慢、每帧传输的数据包小。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。于 是就有很多厂家提出了基于以太网技术来实现现场总线,由此诞生了 POWERLINK、 SERCOS、EtherNet/IP、ModBusTCP、ProfinetSRT、EtherCat、MECHATROLINK 等这些工业实时以太网的技术。


目前高速实时现场总线种类繁多,很多厂家都在推广自己的总线协议,这些协议从性能上可分为两类:高实时总线和低实时总线。


低实时性的总线:EtherNet/IP、ModBusTCP、ProfinetSRT。


高实时性的总线:POWERLINK、EtherCat、MECHATROLINK、SERCOS。


Modbus TCP/IP


该协议由施耐德公司推出,以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中,使Modbus与以太网和TCP/IP结合,成为Modbus TCP/IP。这是一种面向连接的方式,每一个呼叫都要求一个应答,这种呼叫/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合,使交换式以太网具有很高的 确定性,利用TCP/IP协议,通过网页的形式可以使用户界面更加友好。


ProflNet


针对工业应用需求,德国西门子于2001年发布了该协议,它是将原有的Profibus与互联网技术结合,形成了ProfiNet的网络方案。


在高实时性总线中 ,EtherCat 和 MECHATROLINK 需要用专用的 ASIC(芯片) 才能实现,之所以采用 ASIC 芯片来实现的原因之一是为了能够控制市场,使总线知识产权的拥有者处于有利地位,以便在将来可以垄断市场,控制竞争对手。众所周知,工业自动化行业的厂家在2009、2010 年取得了大丰收,很多公司的业绩翻了一倍。他们不缺客户、不愁订单,但是发愁芯片,由于很多芯片采购不到,而不得不丢掉很多客户。提供 ASIC 解决方案的公司,目的就是通过 ASIC 来控制市场、控制竞争对手。


EtherCat 的 ASIC 芯片只提供了数据链路层和物理层,而没有实现应用层。用户买了ASIC 芯片,还不得不自己来实现应用层(如 CANopen),这需要花费用户很长时间。此外不同用户实现的应用层往往不同,这就造成同样都是基于 EtherCat 的设备,却相互不能通信。


POWERLINK 是一个可以在普通以太网上实现的方案,无需 ASIC 芯片,用户可以在各种平台上实现 POWERLINK,如 FPGA、ARM、x86CPU 等,只要有以太网的地方,就可以实现POWERLINK。且公开了所有的源码,任何人都可以免费下载和使用(就像 Linux)。


ProfinetSRT和EtherCat等总线技术的限制情况:



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。


POWERLINK 的源码里包含了物理层(标准以太网)、数据链路层(DLL )、应用层(CANopen)三层完整的代码,用户只需将 POWERLINK 的程序在已有的硬件平台上编译运行,就可以在几分钟内实现 POWERLINK。


POWERLINK 是一个易于实现的、高性能的、不被任何人垄断的、真正的互连互通的平台。


POWERLINK 定义了一个精简的、实时性极高的数据链路层协议,同时定义了 CANopen为应用层协议。这样用户在实现了 POWERLINK 的同时,也实现了 CANopen。


什么是CANopen?


CAN(Controller Area Network, 控制器局域网络)是由博世开发的一种现场总线,首先应用在汽车领域。由于它的低成本和可靠性,现在被广泛应用在工业测控和工业自动化领域。


CAN与CANOpen的关系


CAN的物理层分了三层分别是MDI,PMA和PLS,数据链路层分了两层:MAC与LLC。这五层就是最原始的CAN协议,标准是ISO11898。也就是说CAN协议一开始是没有应用层的。后来有一种叫CANOpen的基于CAN的应用层协议被开发出来,标准是CiA301。在实际开发CAN器件的时候不一定要用CANOpen,你可以根据自己的需要定制自己的应用层协议。


几种典型总线的原理


EtherCAT


EtherCAT是基于集束帧方法:EtherCAT主站发送包含网络所有从站数据的数据包,这个帧按照顺序通过网络上的所有节点,当它到达最后一个帧,帧将被再次返回。因此,EtherCAT网络拓扑总是构成一个逻辑环。


当数据帧通过节点时,节点会处理帧中的数据,每个节点读出要接收的数据并将相应要发送的数据插入到帧中。这种处理方式,的确加快了数据的传输速度,降低了通信的循环周期。不足之处是,这种对数据帧的高速处理,要求很高。每个节点在对数据帧处理时,即使有一点偏差也会造成整个数据帧的CRC错误,从而使整个数据帧被丢掉。这使得对产品本身的EMC,以及使用现场的环境,线缆等的要求都很高。为了支持100 Mbit / s的波特率,必须使用专用的ASIC或基于FPGA的硬件来高速处理数据。


此外由于网络上所有节点的输入和输出数据共用同一个数据帧,一个以太网的数据帧容量有限,这就使得EtherCAT不能被用于大数据量的应用场合。



EtherCAT过程同步


每个从站通过由主站提供的一个类似于IEEE1588的实时时钟进行同步。有处理实时和非实时的机制。在物理层,EtherCAT协议不仅在以太网上运行,也可以采用LVDS(低压差分信号)。EtherCAT采用带有标准以太网接口的PC作为一个主站。EtherCAT没有定义应用层协议,因此用户需要自己开发应用层,如CANopen等。


MECHATROLINK


MECHATROLINK是一个用在工业自动化的开放式通讯协定,最早由日本安川电机开发,后来由MECHATROLINK协会(Mechatrolink Members Association)维护。


Mechatrolink协定分为以下的二种:


MECHATROLINK-II—定义传送界面为RS-485时的通讯协定架构,最快速度为10Mbit/s,最多允许30个从站。


MECHATROLINK-III—定义传送界面为以太网时的通讯协定架构,最快速度为100Mbit/s,最多允许62个从站。




POWERLINK


以太网POWERLINK的第1版于2001年11月由奥地利控制系统制造商 Bernecker & Rainer Industrie-Elektronik(贝加莱集成自动化)公司开发,并提供给其他公司。EPSG(POWERLINK标准化组织)成立于2002年11月。 2003年11月,开始使用实时工业以太网协议POWERLINK V2的规范。POWERLINK=CANopen+Ethernet


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,EthernetPOWERLINK 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。



POWERLINK的优势


在纷繁的总线协议中,POWERLINK 将是实时以太网的未来,原因如下:


1. POWERLINK 是一项开源技术,开放性好,无需授权,无需购买。


2. POWERLINK 基于标准的以太网,无需专用的 ASIC 芯片,有以太网的地方,就可以实现POWERLINK,硬件平台多种多样(ARM,FPGA,DSP,X86 等),不依赖于某一个公司。


3. POWERLINK 速度快,支持 100M/1000M 的以太网。以太网技术进步,POWERLINK的技术就会跟着进步,因为 POWERLINK 站在标准以太网的肩膀上。


4. POWERLINK 性能卓越,使用价格低廉的 FPGA(几美元)来实现 POWERLINK,性能也能达到 100-200us 的循环周期。


5. POWERLINK 支持标准的网络设备,如交换机、HUB 等。支持所有以太网的拓扑结构,使得布线更自由、更灵活。


6. 数据吞吐量大,每个节点每个循环周期支持 1500 字节的输入和 1500 字节的输出。




POWERLINK未来发展


POWERLINK的未来基于标准以太网技术的发展,而标准以太网的发展是全世界所有资源贡献的结果,所以POWERLINK的发展不依赖于其自身,而是世界资源的整合,发展无限量。随着Gbps/10Gbps以太网技术蓬勃发展,POWERLINK亦紧跟其脚步,向Gbps/10Gbps深入。


中国用户组织


Ethernet POWERLINK中国用户组织由贝加莱、上海工业自动化仪表所、步进科技、山东大学、广东工业大学、赫优讯等国内的知名自动化厂商、研究机构、大学共同发起组织的非盈利性组织,其旨在推广这项前沿实时通信技术到中国自动化组件厂商,提供技术咨询、支持和研究的技术性活动,以及市场推广的各种展会、研讨会、学术交流会的组织。每个参与者都将成为“Ethernet POWERLINK”这个源代码开放、纯软件实现、免专利费的技术的“共同持有者”,并受益其中。


POWERLINK 和 EtherCAT 的比较


EtherCAT:


由 EtherCAT 的原理可知,他适用于较小的系统,整个系统所有节点的接收和发射字节数不超过 1500 Bytes。 系统的可靠性要求不高,拓扑结构为菊花链。典型的应用场合为运动控制,一个控制器带多个伺服驱动器,以及 IO。


POWERLINK:


可用于小系统,也可用于大系统。典型的应用场合为运动控制(以贝加莱和 ABB为代表),以及过程控制,DCS 系统(和利时,阿尔斯通,东方电气,正泰,中车等)。对于过程控制,要求可靠性高,系统通信量大。  


引用来源


CAN与CANOpen(一)_maifansnet的博客-CSDN博客_canopen


CANopen学习笔记_cenzmin的博客-CSDN博客_tpdo和rpdo


Ethernet POWERLINK_百度百科


POWERLINK简介 - POWERLINK-软硬件产品 -


(二)PowerLink理论知识_ty_xiumud的博客-CSDN博客_powerlink


MECHATROLINK I II III 总线协议 - PLC/自动化/工控


POWERLINK 与 EtherCAT 的比较


POWERLINK 简介

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