一：引言
隨著計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的發(fā)展，信息交換的領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋了工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場(chǎng)，因此，需要建立包含從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到控制層、管理層等各個(gè)層次的綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，建立以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息化系統(tǒng)。現(xiàn)代化的污水處理廠系統(tǒng)同樣提出了類似的需求。
工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的網(wǎng)絡(luò)，直接面向生產(chǎn)過程，肩負(fù)著工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行一線測(cè)量與控制信息傳輸?shù)奶厥馊蝿?wù)，并產(chǎn)生或引發(fā)物質(zhì)或能量的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)換，因此它通常應(yīng)滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)性、高可靠性、惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性、總線供電等特殊要求和特點(diǎn)。提到此，大部分人腦海中會(huì)出現(xiàn)了各種現(xiàn)場(chǎng)總線(field Bus）名字，Can，Profibus，modbus等等，但這些Field Bus 各有特色，各有其發(fā)展背景，彼此并不兼容，在市場(chǎng)上各有其專攻的市場(chǎng)及擁護(hù)者，20多年來各占一方擁兵自重，無法妥協(xié)出一個(gè)共同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在后來的實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施中也不可避免的涉及到了多種現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊問題，如與鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備（國(guó)外原裝進(jìn)口設(shè)備）Profibus-dp的通訊，與高、低壓室多功能電量采集儀、紫外消毒設(shè)備控制系統(tǒng)的Modbus通訊，那么是否還有更好的總線標(biāo)準(zhǔn)在類似項(xiàng)目中可供選擇的呢？Ethernet Powerlink(EPL)工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的技術(shù)無疑讓人眼前一亮。
二：ETHERNET POWERLINK技術(shù)
ETHERNET POWERLINK（簡(jiǎn)稱EPL）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織EPSG（www.epsg.org）成立于2001年，2003年推出系列產(chǎn)品。截至2007年11月底，世界各地240多個(gè)OEM用戶在40000多臺(tái)設(shè)備和項(xiàng)目上使用了EPL，EPL在全球有450多個(gè)成員、用戶和支持者，節(jié)點(diǎn)數(shù)超過了30萬個(gè)。EPL的主要技術(shù)指標(biāo)有：用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3u(Fast Ether-net)作為傳輸媒介；傳輸速率100Mb/s；使用標(biāo)準(zhǔn)Hub和標(biāo)準(zhǔn)接線；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸周期最小達(dá)200μs；抖動(dòng)小于1μs；可同時(shí)傳輸實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；可同時(shí)傳輸IP協(xié)議；使用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備，并且支持冗余技術(shù)。它不僅具有工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)的可靠性及環(huán)境適應(yīng)性，還很好的解決的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的實(shí)時(shí)性問題，由于我們更傾向它的實(shí)際應(yīng)用效果，所以對(duì)EPL內(nèi)部工作機(jī)制不在描述，感興趣的朋友可以瀏覽相關(guān)網(wǎng)站或與EPSG組織聯(lián)系。
下面的這個(gè)圖可以更好的說明EPL的出現(xiàn)給工程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施以及后期的維護(hù)帶來的便利性。
如上圖所示，典型的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)從低到高可以分為這樣幾個(gè)層次：
1：傳感器層（Sensor Layer）：對(duì)象是各類傳感器及執(zhí)行器，該層主要處理各類傳感器、各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的通訊，通訊量很小，通常按字節(jié)進(jìn)行傳輸，通訊速率< 1kb，但實(shí)時(shí)性要求很高，ms級(jí)別。
2：過程控制層（Process Layer）：對(duì)象是各個(gè)遠(yuǎn)程及本地的I/O站，該層主要處理各個(gè)I/O站點(diǎn)間的通訊，通訊量也不大，速率通常設(shè)定在50K-500K之間，實(shí)時(shí)性要求高，ms級(jí)別。
3：處理器層（Cell Layer）：對(duì)象是各個(gè)CPU控制器，該層主要處理各個(gè)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(shí)時(shí)性要求稍高，100ms級(jí)別。
4：管理層（Management Layer）：對(duì)象是各個(gè)控制室的操作PC,包括相關(guān)的服務(wù)器及工程師站、操作員站等，該層主要處理各個(gè)PC與服務(wù)器間的通訊，通訊量大，通訊速率通常為100M以上，實(shí)時(shí)性要求不高，s級(jí)別即可。管理層之上通常還有一層可稱為公司層，主要運(yùn)行相關(guān)的ERP系統(tǒng)及其他管理系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)和管理層數(shù)據(jù)庫(kù)的通訊，通訊量大，實(shí)時(shí)性同樣不高。
在各個(gè)層次的分配中，我們可以看到各種現(xiàn)場(chǎng)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(shí)在傳感器層、過程控制層、處理器層及管理層四層網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的協(xié)議，真正實(shí)現(xiàn)了一線到底，由于EPL即使是基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上發(fā)展起來的，所以它的配置、升級(jí)、擴(kuò)容都很方便，它的出現(xiàn)很好的克服了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線互不兼容，不能真正實(shí)現(xiàn)信息無縫共享；速率低，應(yīng)用有限；專用網(wǎng)絡(luò)，成本高等幾點(diǎn)不足。
三：EPL特點(diǎn)綜述
● 保證確定通信
EPL是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上惟一的符合IAONA實(shí)時(shí)類“3+4”的實(shí)時(shí)協(xié)議。無論連接上多少臺(tái)站(station)或不管周期時(shí)間是200微秒還是10毫秒，這項(xiàng)技術(shù)始終保證了不超過1微秒(抖動(dòng))的精確定時(shí)。在點(diǎn)在類似與傳感器/執(zhí)行器層實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合，顯得尤為重要。我們可以保證從控制器或者中控室下發(fā)下來的指令在一個(gè)確定的時(shí)間內(nèi)能獲得相應(yīng)。
● 100%兼容以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)
EPL兼容快速以太網(wǎng)IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)。因此，所有的基于IP的協(xié)議(如TCP、UDP和HTTP)都可以作為同步的時(shí)間敏感數(shù)據(jù)同時(shí)傳送，從而實(shí)現(xiàn)從管理層到驅(qū)動(dòng)器和傳感器的無縫的IT集成。符合標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)好處是我們可以利用標(biāo)準(zhǔn)IT網(wǎng)絡(luò)布線，利用光纖技術(shù)通訊距離也不再是個(gè)限制。
● 滿足未來發(fā)展需要
以太網(wǎng)目前是世界上最廣泛部署的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。盡管Firewire或USB這樣的新網(wǎng)絡(luò)技
術(shù)的特性乍看起來更加誘人，但它們主要是為消費(fèi)設(shè)備設(shè)計(jì)的，不能最佳地滿足企業(yè)和工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用需求。
● 易于使用
簡(jiǎn)單的布線和配置對(duì)于機(jī)器制造商十分重要。EPL網(wǎng)絡(luò)可以使用直線、星形和樹形等布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與基于交換機(jī)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)不同，EPL不僅提供了極高的定時(shí)精度，而且還提供了適應(yīng)項(xiàng)目需要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。支持多樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)給設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)過程中也帶來了很大的便利，不用再擔(dān)心控制站點(diǎn)的分布是否超出范圍等等。
● 無需定制硬件
除了100%標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)兼容外，EPL還只需使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)芯片。在實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)周期時(shí)間和精度時(shí)，設(shè)備制造商不需要采用專用ASIC芯片。因此在設(shè)備中使用EPL技術(shù)的廠商可以自由地利用他們選擇的標(biāo)準(zhǔn)芯片廠商。這點(diǎn)使帶有EPL接口的產(chǎn)品將更加的平易近人，得到用戶方的接受。
● 跨所有節(jié)點(diǎn)的信息交換
EPL允許信息在網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間交換。與一些所有信息必須經(jīng)過一臺(tái)主設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線或以太網(wǎng)的模式不同，在使用EPL網(wǎng)絡(luò)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)被發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)。
● 保護(hù)工作模式
在保護(hù)工作模式下，EPL能夠管理抖動(dòng)始終低于1微秒、最低200微秒的周期時(shí)間。利用橋接器或路由器將實(shí)時(shí)的網(wǎng)段與開放的IT網(wǎng)絡(luò)分離，以避免網(wǎng)絡(luò)沖突。通過橋接/路由器的接入保證了IT環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)的最大安全性。
● 開放工作模式
在開放工作模式下，EPL協(xié)議用于開放交換網(wǎng)絡(luò)，并且利用IEEE 1588提供定時(shí)同步。在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與IT開放網(wǎng)絡(luò)之間不需要進(jìn)行隔離。但是，這種模式只適用于周期時(shí)間為毫秒級(jí)的低實(shí)時(shí)時(shí)或中實(shí)時(shí)要求的系統(tǒng)中。
四：后記
基于以上的特點(diǎn)，我們?cè)?003年項(xiàng)目初期就向設(shè)計(jì)方和業(yè)主方介紹了EPL技術(shù)，也得到了雙方的一致認(rèn)同。我們?cè)谥鞲删W(wǎng)絡(luò)以及各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制中均設(shè)置了EPL網(wǎng)絡(luò),再利用B&R PCC系統(tǒng)本身在網(wǎng)絡(luò)方面極好的融合能力，項(xiàng)目實(shí)施后得到了業(yè)主及設(shè)計(jì)院方的高度評(píng)價(jià)，EPL網(wǎng)絡(luò)的使用，不僅投資上沒有增加，還給后續(xù)的擴(kuò)容及維護(hù)帶來了很大的便利。由于項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，仍處于EPL技術(shù)推廣的初期，所以配套的儀器儀表、傳感器產(chǎn)品還沒有推向市場(chǎng)，EPL一線到底的優(yōu)勢(shì)并沒有發(fā)揮完全，但目前來說，這一問題已經(jīng)得到了很好的改觀，我們?cè)诤罄m(xù)的項(xiàng)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(jù)悉，2008年初，Ethernet POWERLINK工業(yè)以太網(wǎng)順利通過IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；且EPSG組織也宣布將POWERLINK源代碼開放，個(gè)人及廠商均可在網(wǎng)上下載到此技術(shù)的源代碼，開發(fā)自己的POWERLINK產(chǎn)品；同時(shí)貝加萊公司也宣布EPL率先邁入千兆以太網(wǎng)時(shí)代；可以預(yù)見隨著這一技術(shù)的不斷發(fā)展，將出現(xiàn)越來越多的帶有POWERLINK接口的產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)化組織(EPSG)是一個(gè)獨(dú)立的組織，由驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)化行業(yè)的領(lǐng)袖企業(yè)創(chuàng)建于2003年。其宗旨是標(biāo)準(zhǔn)化并進(jìn)一步研發(fā)POWERLINK。POWERLINK于2001年由貝加萊首先研發(fā)推出。高性能實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)是IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的擴(kuò)展，確保實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)微秒級(jí)傳輸。EPSG同領(lǐng)先的標(biāo)準(zhǔn)化組織開展合作，如CAN自動(dòng)化(CiA)及IEC。現(xiàn)由貝加萊控制事業(yè)部經(jīng)理AntonMeindl先生擔(dān)任EPSGCEO一職。
