1. 引言

曾几何时，现场总线方案给自动化行业带了辉煌的发展，然而随着工业自动化的发展，目前的现场总线方案已经不能完全适应市场的需求，未来对于自动化的解决方案有了新的要求：

n 速度相比现场总线有大幅度的提高;

n 由于任务越来越多，越来越复杂，要求网络能够承载大量的数据交换;

n 对不可测事件的反应时间的要求提高了;

n 最大限度的使用标准的，可靠的技术，以降低开发成本。

于是快速以太网技术进入人们的视野，它以至少10倍于现有现场总线的速度(100Mbps)完全满足了未来工业网络对于速度的要求，并且技术成熟可靠。然而快速以太网CSMA/CD的工作原理决定了它不是一个实时的网络，这对于未来的工业自动化控制是不可接受的。

奥地利贝加莱(B&R)公司在这方面做出了贡献，她以快速以太网为基础，开发出了真正的实时工业以太网——Ethernet POWERLINK。贝

加莱2001年首次向公众介绍Ethernet POWERLINK，同年11月EPSG(Ethernet POWERLINK Standardization Group)联盟成立，2003年6月EPSG协会成立并和CiA(CAN in Automation)开展合作，同年11月由EPSG介绍Ethernet POWERLINK V2。到目前为止，有超过150,000个节点投入使用，超过300个支持者、供应商和终端用户。

2. Ethernet POWERLINK技术特点

n 单个网段最多连接240个实时站点;

n 真正的确定性通讯

达到IAONA实时等级4级(最高等级);

快速，100Mbit/s，最小循环周期200us;

网络站点之间精确同步，抖动小于1us;

n 标准化

底层技术采用IEEE802.3uCONTROL ENGINEERING China版权所有，快速以太网;

图1：抖动定义

支持IP协议(TCP，UDP…);

集成CANopen行规EN50325-4，实现设备的互操作性;

基于标准的以太网芯片CONTROL ENGINEERING China版权所有，不需要特别的ASICs;

n 直接点到点通讯

n 支持热插拔

n 支持多CPU解决方案，优化负载，使之大体平衡。

图2：负载平衡

Every Cycle：Station 1，2，3;Multiplexed：Station 4-11

-拓扑结构灵活，支持总线型控制工程网版权所有，星型，树型，菊花链。。。

3. Ethernet POWERLINK技术原理

图3：EPL参考模型

Ethernet POWERLINK物理层，MAC层：遵循IEEE802.3uCONTROL ENGINEERING China版权所有，100Base-TX

Ethernet POWERLINK帧在以太网的数据域里传输。

Ethernet POWERLINK数据链路层(EPL Datalink Layer)

EPL数据链路层以标准的以太网CSMA/CD技术(IEEE802.3)为基础，但是CSMA/CD的工作原理决定了它不能实现通讯的确定性，于是EPL引入SCNM(Slot Communication Network Management)机制，实现了数据通

讯的确定性。

SCNM给同步数据和异步数据分配时槽，保证了在同一时间只有一个设备可以占用网络媒介，从而彻底杜绝了网络冲突的发生。SCNM由EPL网络中的管理节点MN(Managing Node)来管理，其他的节点称为控制节点CN(Controlled Node)。

SCNM规定在一个EPL网络中只有一个激活的MN，MN配置网络中所有可用的节点。只有MN可以独立地发送数据，CN只有在得到MN允许的情况下发送数据。

图4：SCNM概念

SCNM协议按照一定的规则预先计划并组织了消息组，一个消息组设为一个EPL循环(见图2)。在每个循环中可以分为同步阶段和异步阶段，同步阶段每个同步节点占有固定间隔的时槽，由MN轮流访问，从而实现通讯的确定性。异步阶段发送非实时数据，数据传送由MN调度。

EPL循环可以分为4个阶段：开始阶段，同步阶段，异步阶段和空闲阶段。每个阶段的时间由MN预先配置CONTROL ENGINEERING China版权所有，长度可以不同。MN随时监控循环时间，以保证预设的时间不发生冲突。一旦冲突发生，MN自动延续到下一个循环的开始位置。

图5：EPL循环

图6：循环时间冲突时MN的处理方式

开始

阶段：

MN广播发送Start-of-Cyclic(SoC)帧开始通讯周期。它的发送接收时间作为所有站点时序的基础。只有SoC帧由时间控制，其他帧由事件控制。

同步阶段：

MN发送SoC帧后开始同步数据交换。MN发送指定地址的单向请求帧PollRequest给CN，目标CN广播发送响应帧PollResponse给其他所有的节点，允许其他所有的节点监控该帧。PollRequest和PollResponse都可以传输应用数据。MN循环访问完同步节点后，MN广播发送响应帧PollResponse。

异步阶段：

MN发送SoA(Start-of-Asynchronous)帧表示异步阶段的开始，SoA帧用来标记非激活的CNs，给要发送异步数据的CN令牌，以及给CN发送异步数据的权限。

异步数据的发送由MN进行调度，如果CN要发送异步数据，它在PollResponse帧或StatusResponse帧中通知MN。MN的异步数据调度器会决定在哪个循环可以发送异步帧。这决定了发送请求不会被无限期地拖延，即使在网络负载很高的情况下。

空闲阶段：

空闲阶段是异步阶段结束和下一个循环开始之间的时间间隔，在这个阶段，所有的网络组件“等待”下一个循环的开始。

“Active”节点的识别

MN配置有网络中所有节点的列表。MN启动的时候，所有的CNs被标记为“Inactive”，然后这些CNs被IdentRequest帧(特别的SoA帧)周期访问。当CN接收到标有自己地址的IdentRequest帧时，它在同一个异步周期中返回响应帧IdentResponse。当MN接收到CN来的响应帧IdentResponse时，该CN被标记为“Active”。

Ethernet POWERLINK应用层

EPSG组织和CiA(CAN in Automation)合作，把CANopen的EN50325-4规约移植到EPL中来。每一种符合EPL标准的设备都由一个统一的设备模型来描述。设备模型的核心部分是通过对象字典(Object Dictionary)对设备功能进行描述。对象字典分为两部分，第一部分包括基本的设备信息，例如设备ID，制造商CONTROL ENGINEERING China版权所有，通信参数等等。第二部分描述了特殊的设备功能。一个16位的索引和一个8位的子索引唯一确定了对象字典的入口。通过对象字典的入口可以对设备的"应

用对象"进行基本网络访问，设备的"应用对象"可以是输入输出信号，设备参数，设备功能和网络变量等。

高同步精度数据通过过程数据对象PDO(Process Data Object)进行数据交换。网络中每个站点都可以读取PDO，并对它进行处理。PDO最大长度1490字节，最多可以有254个PDO对象。

参数下载控制工程网版权所有，诊断数据等非关键数据可以放在服务数据对象(SDO)中传输CONTROL ENGINEERING China版权所有，非同步段的SDO的传输遵循客户端/服务器模式。网络中任何一个EPL站点都可以通过对象字典(Object Dictionary)访问另一个站点的SDO，数据量的大小没有限制。同时SDO协议允许标准IP 帧通过UDP/IP通道访问。这就使得外面的系统通过EPL路由可以直接访问该设备的对象字典(OD)。

4. 未来展望

Ethernet POWERLINK未来的发展方向为安全性和快速性。

现场总线的安全性都朝着智能化的方向发展，EPL也不例外。EPSG正在制定Ethernet POWERLINK Safety协议规范，有望在近期推出。EPL Safety以EPL为基础

，着重强调整体安全的概念CONTROL ENGINEERING China版权所有，主要特点为系统的离散性、灵活性、快速性和开放性。

目前已经发展到了千兆以太网CONTROL ENGINEERING China版权所有，由于Ethernet POWERLINK和以太网有着很好的继承性控制工程网版权所有，可以预见在不久的将来，千兆工业以太网Ethernet POWERLINK会出现在实际的工业应用现场。