Ethernet Powerlink

Ethernet Powerlink是在标准以太网上的实时通信协议，是由Ethernet POWERLINK标准化组（EPSG）管理的开放通信协议，是由奥地利自动化公司B&R在2001年开始使用。

此通信协议的名称中虽然有Power，但是和以太网网线的电力分布、以太网供电（PoE）、电力线通信（power line communication）或铂傲的PowerLink线缆都没有关系。

简介

Ethernet Powerlink是Ethernet的扩展，混合了轮询以及时间切片（timeslicing）机制，可以提供：

• 时间关键资料可以确保在非常短的等时（isochronic）周期中发送，具有可规划的回应时间。
• 网络上的所有节点都可以时间同步（Time-synchronisation），精度可以到微秒以下。
• 比较没有时间关键性的资料传输是在一个专属的异步通道中传输。

目前的实现方式其循环时间可以到200 µs以下，其时间精度（jitter）小于1 µs。

标准化组织

Ethernet Powerlink由Powerlink标准化组（EPSG）所推动的，此组织在2003年6月成立，是独立的协会。

标准化组中有许多的工作组，例如安全、技术、营销、认证及终端客户。EPSG和标准化组织及协会一起运作，类似CAN in Automation（CiA）及IEC（电际电工协会）的关系。

物理层

Ethernet Powerlink原来的物理层是100BASE-TX 快速以太网，自从2006年底开始，物理层可以支持吉比特以太网，其传输速率可以提升到十倍（1,000 Mbit/s）。

在实体控制的区域中，建议用集线器（hub），不要使用网络交换器（switch），可以减小延迟以及时间抖动（jitter）。Ethernet Powerlink使用IAONA的Industrial Ethernet Planning and Installation Guide，可以使用二种工业以太网的接头：8P8C（常称为RJ45）及M12。

数据链路层

Ethernet Powerlink利用额外的总线调度机制（bus scheduling mechanism），扩展了标准以太网的数据链路层，确保同一时间只有一个节点可以访问网络。调度机制中分为等时阶段（isochronous phase）以及异步阶段（asynchronous phase）。在等时阶段中会发送时间关键的资料，异步阶段则会提供带宽，发送非时间关键的资料。管理节点（Managing Node，简称MN）会用轮询请求消息的方式允许其他节点访问网络。因此同一个时间只有一个节点（CN）可以访问网络，避免以往在使用网络交换器之前，以太网集线器上会有的资料碰撞（collision）情形。以往没有网络交换器的以太网使用的CSMA/CD机制会产生非确定性的以太网行为，Ethernet Powerlink使用总线调度机制，不会出现这类的行为。

基本周期

在系列启动之后，会在实时条件下运作Real-Time domain。基本周期（basic cycle）的调度是由管理节点（Managing Node）所控制，整体的周期时间会依异步资料的数量、等时资料的数量，以及每一个周期要输询的节点数量而定。

基本周期包括以下的阶段：

• 启动阶段（Start Phase）：由管理节点送同步消息给所有节点，此资料框称为SoC，周期开始（Start of Cycle）。
• 等时阶段（Isochronous Phase）：管理节点会轮流发送Preq - Poll请求资料框给每一个节点，发送有关制程控制或是运动控制的时间关键资料。寻址到的节点会回复Pres - Poll回复资料框。在这个阶段，所有不在发送状态的节点都处于接收模式，因此此时的通信系统是生产者-消费者（producer-consumer）的关系。

包括Preq-n和Pres-n在内的时间框称为寻址节点的时间槽（time slot）。

• 异步阶段（Asynchronous Phase）：管理节点提交SoA（Start of Asynchronous，异步启始）资料框给某特定节点，授权给该节点发送特设（ad-hoc）资料。寻址到的节点会回复ASnd。标准以IP为基础的通信协议及寻址方式可以在此阶段发送。

网络实时通信行为的质量会和整体基本周期时间的精度有关。个别阶段的长度会变化，不过所有周期加起来仍要在基本周期时间的边界内。管理节点会监测基本周期时间的一致程度。可以规划异步及等时阶段的时间。

图1：时间在线方的资料框是由管理节点提交，时间线下方的是由不同的节点提交。

图2：各节点的时间槽以及异步的时间槽

频寛优化的多工（Multiplex for Bandwidth Optimization）

网络系统中除了在每一个基本周期发送异步资料外，为了提高频寛利用率，有些节点也可以共享发送时间槽。因此，异步阶段可以区分专属于特定节点，每一个基本周期都可以发送资料的时间槽，另外一些时间槽则是由几个节点共享，几个基本周期才会发送一次资料。因此其他也有时间关键资料，但优先度较低的节点，可以在时间为基本周期整数倍的周期来发送。管理节点可以规划每个发送周期中的时间槽。

图3：EPL的多工模式

轮询响应链

轮询响应链（Poll response chaining）模式主要是用在机器人应用以及大型的超级结构（superstructures）。其关键是资料框的数量以及较好的资料分布。

OpenSAFETY

目前，机械、工厂以及安全系统由基于硬件的安全功能组成的严谨方案中。结果是昂贵的网络线以及有限的诊断选项。其解法是将安全相关的应用资料集成到串列控制的通信协议中。OpenSAFETY允许publish/subscriber及client/server两种通信方式。安全相关资料是在标准通信消息中的嵌入资料框中发送。功能安全通信协议中，需要有避免因为系统错误或是随机错误造成未侦测到失效的机制，是其整体性的一部分。OpenSAFETY符合IEC 61508，满足安全完整性等级（SIL）3的要求。错误侦测机制不会影响现有的传输层。

参考资料

• Machine safety Tactical brief, Machine Safety (PDF), Automation World, 2012 [2020-01-22], （原始内容 (可移植文档格式)存档于2012-09-07） 

• Humphrey, David, openSAFETY Initiative Aims to Unify Industrial Safety Protocols, USA: ARC Advisory Group, 2012 [2020-01-22], （原始内容存档于2012-08-17） 

• POWERLINK Awarded National Standard in China, Control Engineering Asia, 2012 [2020-01-22], （原始内容存档于2013-01-19） 

• DDASCA Consortium defines openSAFETY as standard, Automation.com, 2012 [2020-01-22], （原始内容存档于2020-08-05） 

• Zezulka, F.; Hyncica, o., Průmyslový Ethernet VIII: Ethernet Powerlink, Profinet (可移植文档格式), Automa, 2008, 5: 62–66 [2020-01-22], （原始内容存档 (PDF)于2020-07-31） 

• Which Ethernet system is the right one?, Control Engineering Europe, 2009 [2020-01-22], （原始内容存档于2015-11-07） 

外部链接

• ethernet-powerlink.org Ethernet POWERLINK Standardization Group website（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• sourceforge.net/projects/openpowerlink Open Source Stack （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Ethernet Powerlink Group
• OpenSafety Group