Ethernet Powerlink(EPL)工業實時以太網的技術

　　一：引言

隨著計算機、通信、網絡等信息技術的發展，信息交換的領域已經覆蓋了工廠、企業乃至世界各地的市場，因此，需要建立包含從工業現場設備層到控制層、管理層等各個層次的綜合自動化網絡平臺，建立以工業控制網絡技術為基礎的企業信息化系統。現代化的污水處理廠系統同樣提出了類似的需求。

工業控制網絡作為一種特殊的網絡，直接面向生產過程，肩負著工業生產運行一線測量與控制信息傳輸的特殊任務，并產生或引發物質或能量的運動和轉換，因此它通常應滿足強實時性、高可靠性、惡劣的工業現場環境適應性、總線供電等特殊要求和特點。提到此，大部分人腦海中會出現了各種現場總線(field Bus）名字，Can，profibus，modbus等等，但這些Field Bus 各有特色，各有其發展背景，彼此并不兼容，在市場上各有其專攻的市場及擁護者，20多年來各占一方擁兵自重，無法妥協出一個共同國際標準。在后來的實際項目實施中也不可避免的涉及到了多種現場總線的通訊問題，如與鼓風機設備（國外原裝進口設備）Profibus-dp的通訊，與高、低壓室多功能電量采集儀、紫外消毒設備控制系統的Modbus通訊，那么是否還有更好的總線標準在類似項目中可供選擇的呢？Ethernet Powerlink(EPL)工業實時以太網的技術無疑讓人眼前一亮。

　　二：ETHERNET POWERLINK技術

　　ETHERNET POWERLINK（簡稱EPL）國際標準化組織EPSG（www.epsg.org）成立于2001年，2003年推出系列產品。截至2007年11月底，世界各地240多個OEM用戶在40000多臺設備和項目上使用了EPL，EPL在全球有450多個成員、用戶和支持者，節點數超過了30萬個。EPL的主要技術指標有：用標準以太網IEEE802.3u(Fast Ether-net)作為傳輸媒介；傳輸速率100Mb/s；使用標準Hub和標準接線；實時數據傳輸周期最小達200μs；抖動小于1μs；可同時傳輸實時和非實時數據；可同時傳輸IP協議；使用以太網標準硬件設備，并且支持冗余技術。它不僅具有工業以太網的標準的可靠性及環境適應性，還很好的解決的標準以太網TCP/IP協議的實時性問題，由于我們更傾向它的實際應用效果，所以對EPL內部工作機制不在描述，感興趣的朋友可以瀏覽相關網站或與EPSG組織聯系。

　　下面的這個圖可以更好的說明EPL的出現給工程設計、項目實施以及后期的維護帶來的便利性。

　　如上圖所示，典型的工業控制網絡從低到高可以分為這樣幾個層次：

　　1：傳感器層（Sensor Layer）：對象是各類傳感器及執行器，該層主要處理各類傳感器、各類執行機構間的通訊，通訊量很小，通常按字節進行傳輸，通訊速率< 1kb，但實時性要求很高，ms級別。

　　2：過程控制層（Process Layer）：對象是各個遠程及本地的I/O站，該層主要處理各個I/O站點間的通訊，通訊量也不大，速率通常設定在50K-500K之間，實時性要求高，ms級別。

　　3：處理器層（Cell Layer）：對象是各個CPU控制器，該層主要處理各個控制單元cpu間的通訊，通訊量適中，通訊速率通常在500k—10M間均可滿足要求，實時性要求稍高，100ms級別。

　　4：管理層（Management Layer）：對象是各個控制室的操作PC,包括相關的服務器及工程師站、操作員站等，該層主要處理各個PC與服務器間的通訊，通訊量大，通訊速率通常為100M以上，實時性要求不高，s級別即可。管理層之上通常還有一層可稱為公司層，主要運行相關的ERP系統及其他管理系統，主要負責和管理層數據庫的通訊，通訊量大，實時性同樣不高。

　　在各個層次的分配中，我們可以看到各種現場總線各自的生存空間，如活躍在傳感器層的AS-I,活躍在傳感器層和過程控制層的Profibus-dp，CANopen、DeviceNet,活躍在處理器層的ControlNet、Profibus-fms等等，而EPL是唯一一款可以同時在傳感器層、過程控制層、處理器層及管理層四層網絡中應用的協議，真正實現了一線到底，由于EPL即使是基于標準以太網上發展起來的，所以它的配置、升級、擴容都很方便，它的出現很好的克服了傳統現場總線互不兼容，不能真正實現信息無縫共享；速率低，應用有限；專用網絡，成本高等幾點不足。

　　三：EPL特點綜述

　　● 保證確定通信

　　EPL是標準以太網上惟一的符合IAONA實時類“3+4”的實時協議。無論連接上多少臺站(station)或不管周期時間是200微秒還是10毫秒，這項技術始終保證了不超過1微秒(抖動)的精確定時。在點在類似與傳感器/執行器層實時性要求高的場合，顯得尤為重要。我們可以保證從控制器或者中控室下發下來的指令在一個確定的時間內能獲得相應。

　　● 100%兼容以太網標準

　　EPL兼容快速以太網IEEE 802.3u標準。因此，所有的基于IP的協議(如TCP、UDP和HTTP)都可以作為同步的時間敏感數據同時傳送，從而實現從管理層到驅動器和傳感器的無縫的IT集成。符合標準的另一個好處是我們可以利用標準IT網絡布線，利用光纖技術通訊距離也不再是個限制。

　　● 滿足未來發展需要

　　以太網目前是世界上最廣泛部署的網絡技術。盡管Firewire或USB這樣的新網絡技

　　術的特性乍看起來更加誘人，但它們主要是為消費設備設計的，不能最佳地滿足企業和工業環境的應用需求。

　　● 易于使用

　　簡單的布線和配置對于機器制造商十分重要。EPL網絡可以使用直線、星形和樹形等布線拓撲結構。與基于交換機的實時以太網系統不同，EPL不僅提供了極高的定時精度，而且還提供了適應項目需要的網絡結構。支持多樣的拓撲結構給設計院在設計過程中也帶來了很大的便利，不用再擔心控制站點的分布是否超出范圍等等。

　　● 無需定制硬件

　　除了100%標準以太網兼容外，EPL還只需使用標準的以太網芯片。在實現微秒級周期時間和精度時，設備制造商不需要采用專用ASIC芯片。因此在設備中使用EPL技術的廠商可以自由地利用他們選擇的標準芯片廠商。這點使帶有EPL接口的產品將更加的平易近人，得到用戶方的接受。

　　● 跨所有節點的信息交換

　　EPL允許信息在網絡中任意兩個或多個節點之間交換。與一些所有信息必須經過一臺主設備的現場總線或以太網的模式不同，在使用EPL網絡時，數據會被發送給網絡中所有的節點。

　　● 保護工作模式

　　在保護工作模式下，EPL能夠管理抖動始終低于1微秒、最低200微秒的周期時間。利用橋接器或路由器將實時的網段與開放的IT網絡分離，以避免網絡沖突。通過橋接/路由器的接入保證了IT環境中網絡的最大安全性。

　　● 開放工作模式

　　在開放工作模式下，EPL協議用于開放交換網絡，并且利用IEEE 1588提供定時同步。在實時網絡與IT開放網絡之間不需要進行隔離。但是，這種模式只適用于周期時間為毫秒級的低實時時或中實時要求的系統中。

　　四：后記

　　基于以上的特點，我們在2003年項目初期就向設計方和業主方介紹了EPL技術，也得到了雙方的一致認同。我們在主干網絡以及各個現場控制中均設置了EPL網絡,再利用B&R PCC系統本身在網絡方面極好的融合能力，項目實施后得到了業主及設計院方的高度評價，EPL網絡的使用，不僅投資上沒有增加，還給后續的擴容及維護帶來了很大的便利。由于項目實施時，仍處于EPL技術推廣的初期，所以配套的儀器儀表、傳感器產品還沒有推向市場，EPL一線到底的優勢并沒有發揮完全，但目前來說，這一問題已經得到了很好的改觀，我們在后續的項目中將很快使用上了帶EPL接口的變頻器以及其他的部分傳感器。據悉，2008年初，Ethernet POWERLINK工業以太網順利通過IEC國際標準；且EPSG組織也宣布將POWERLINK源代碼開放，個人及廠商均可在網上下載到此技術的源代碼，開發自己的POWERLINK產品；同時貝加萊公司也宣布EPL率先邁入千兆以太網時代；可以預見隨著這一技術的不斷發展，將出現越來越多的帶有POWERLINK接口的產品，給用戶帶來的益處還是更可靠，更方便，更高效。

　　附：組織背景：

　　EthernetPOWERLINK標準化組織(EPSG)是一個獨立的組織，由驅動和自動化行業的領袖企業創建于2003年。其宗旨是標準化并進一步研發POWERLINK。POWERLINK于2001年由貝加萊首先研發推出。高性能實時通信系統是IEEE802.3以太網標準協議的擴展，確保實時數據微秒級傳輸。EPSG同領先的標準化組織開展合作，如CAN自動化(CiA)及IEC。現由貝加萊控制事業部經理AntonMeindl先生擔任EPSGCEO一職。