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。
宏观理解
1.1 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，这样的好处在于：
- POWERLINK 无需做较多的改动即可实现；
-保护原有投资的利益；
-开放性的接口；
1.2 遵循ISO模型
图1 ISO模型
1.3 软件解决方案
POWERLINK只是在数据链路层进行了调整和修改，是基于标准硬件，并且与标准以太网完全兼容的软件解决方案。
1.4 实时的确定性以太网
在技术方面采用了SCNM时间槽通信管理机制，由此能够准确预测数据通讯的时间，从而实现了实时通讯的确定性。
1.5 面向所有系统
图2 面向所有系统
如图2所示，POWERLINK适用于PLC，传感器,I/O模块、运动控制、安全控制、安全传感器、执行机构以及HMI系统等。性能
-100Mbps传输速度-未来提供10Ghz以太网技术
-刷新周期（最小100uS）
-抖动<<1uS
-传输距离：100m/节点间距
-支持任意网络拓扑结构
-实时操作系统非必要
-轮询方式,支持Client/Server和Producer/Consumer模式
- M12 & RJ45连接头
- IEEE802.3标准以太网介质传输
-支持光纤连接
-最大每隔网段支持253个节点
原理
3.1 等时同步机制
图3 等时同步
POWERLINK的时间槽管理机制反应POWERLINK的整个控制机制（如图3所示）。 在这个过程中，遵循IEEE1588分布式时钟系统标准，每个设备都将带上时钟以确保数据交换中的时钟同步，POWERLINK的循环周期由两个Master即管理节点MN和CN(Controlled Node)也称为从站Slave构成，在上电后，POWERLINK主站发布配置信息给每个从节点，然后发布SoC同步开始帧，每个从节点接收到SoC后开始进入数据通信等待状态，在SoC后，MN发送PReq1到第一个节点，Preq1收到后发送PRs1到网络上并以广播形式发布，然后MN 发送PReq2给第二个节点，然后第二个节点发送PRs2给网络，如此序列将到PRsN后结束，MN再发送SoA代表异步通信阶段开始，异步数据在这个SoA后开始发送到网络，整个过程称为一个POWERLINK循环帧，它由等时同步阶段和异步阶段构成，这些均可配置时间。
3.2 多路复用机制
图4 多路复用
为了提升网络效率，POWERLINK采用了多路复用机制来处理节点数较大的情况，通过网络配置，将系统设备划分为快速设备与慢速设备，对于快速设备可以在每个等时同步阶段进行数据刷新，而对于慢速设备可以每隔1~N个周期进行刷新。这样，即可缩短整个系统在每隔POWERLINK周期里的时间槽数，即使对于大量应用的节点也可以通过此种优化方式来提高整体的效率，因此，从这个角度来说，POWERLINK是非常具有灵活性和实用性的。PRC技术
（PRC-Poll Request Chianing Technology-轮询序列技术）
图5 PRC技术
原有的POWERLINK轮询过程是SoC对表,MN发送Preq请求CN1～CNn,每个CN接受到请求后则Pres响应并广播数据到网络上，这个过程里存在的问题在的问题在于Preq和Pres的反复握手过程，而PRC技术则取消了这个握手，在Preq后每个节点不再握手而直接进行数据发送，这是因为每个节点都带有分布式时钟。 经过此种方式，整个POWERLINK网络的传输效率提高至少40%，对于80个POWERLINK节点（其中伺服轴为40个，I/O站为40个,包含1000个I/O通道）的测试结果为800uS。
功能
4.1 直接交叉通信
交叉通信意味着控制节点之间可以交换数据，而无需通过主站（Master）。
同标准以太网的设备一样，POWERLINK上的节点遵循Producer/Consumer机制，在网络上广播数据。通过检测数据帧地址，节点判断它们是否应该予以回应。如果给出一个适合的配置，控制节点也可以理解其它节点返回的命令。交叉通信的数据可以被控制器管理的节点同步。这种柔性是使得它领先其它的Master/Slave概念，可以实现大型模块化机器设计的网络要求。在很多模块内部，或多或少存在节点间的单独通信，这是模块的一部分。每一个模块都有一个节点，负责调整模块内的通信，以及和其他模块的通信。然而，在系统里这些“模块主站”――PLCs或I/O设备，普遍只被看作控制节点。因此，这些模块基本上可以自行运行，而管理节点主要负责网络管理和模块间的同步。另外，用户可能已经感受到交叉通信的好处了，即使在不复杂的应用中。例如，在印刷机中，所有驱动器的旋转编码器都与一个主编码器同步，这是一个简单且有效的方法，无需分布式时钟或其他工具。
交叉通信的好处在于省时，系统简单，控制任务少，在很多场合，它允许使用更经济的控制器。它的好处在于：
l 中央和非中央控制设计（集中或分布式控制设计）
l 控制器－控制器通信
l 主轴直接给从轴设定值
l 编码器值的直接传递
l 直接事件传播
l 减少主站负载或者应用负载
l 多种模式，最小的数据负载
l 具有分散式安全设计能力
4.2 POWERLINK Safety
图6 POWERLINKSaftey
POWERLINK Safety 是满足IEC61508的SIL3和PLe等级的机器安全网络。 POWERLINK使用了SCM来与应用软件进行接口，以接收来自控制系统对于网络的配置与参数的上传下载，而通过SOD来实现数据对象字典的接口，与应用进行接口，传输SPDO这种实时性要求较高的安全数据，而SSDO则是服务数据可以通过异步阶段进?行传输。SNMT则对网络状态进行监控，与POWERLINKNMT不同的是，SNMT增加了一个新的状态来延伸系统的能力。
4.3 开放的诊断工具
图7 诊断工具
POWERLINK可以使用开放的Ethernet诊断工具如Wireshark以及CANopen的配置工具，另外，由EPSG 组织同时提供开源的openConfigurator来进行网络的配置，这些都使得使用POWERLINK技术的厂商无需再额外的开发特殊的配置与诊断工具。4.4 冗余支持能力
Powerlink并非由一家公司来完成的，其中POWERLINK的冗余设计最大的贡献来自于Alstom，这家公司是在电力与交通领域的大型跨国企业，他们在研发其电力系统时选择了POWERLINK作为其高可用性网络的设计。
图8 介质冗余
Alstom 冗余模式是按照如下设计的：两个或更多的冗余管理节点（RMN）在网络层次的顶端，只有一个作为主动管理节点AMN，其?它保持Stand-by（SMN）状态并扮演一个受控节点。SMN和CN的唯一不同在于SMN持续的监控所有网络及CN功能，在紧急情况下，这能使得SMN具有AMB功能作为网络内的一个RMN，每个RMN必须能够配置所有网络设备，其它RMN也不例外。这个冗余模式允许一个大范围的拓扑方式。RMN可以通过HUB 访问一个简单的网络层，一个可行的设计是将RMN和CN放在一个环形内，封闭了网络结构内，第三个对阿尔斯通有利的方面包括冗余数据线，能够保护总线不仅在MN失效，而且在总线电缆失效和故障的情况下运行。网络管理状态
图9 环形冗余
阿尔斯通的开发者们必须进行很多针对网络状态的改变，以能够使得系统集成多个冗余管理站，由于POWERLINK最初只允许对一个MN进行操作，网络管理站NMT是一个基于CAN Open的监测及控制服务。每个网络设备有一个NMT状态机器，这可以提供从MN的NMT主站获得请求及操作状态信息，定义了四个状态分别是，初始化，预操作，可操作和停止，在初始化阶段，不允许设备启动并且激活网络，在预操作阶段，设备对网络参数进行同步，但是还不能开始传输数据，可操作表示单元完全可操作的，停止意味着设备从网络断开，只接受一个NMT指令，为了冗余操作，MN可以在任何时候承担控制功能，编程者增加一个第五状态（StandBy）给NMT状态机器，在预操作阶段，RMN检查总线状态，如果没有相关的信号被侦测到，它就切换到激活模式，并且扮演一个AMN功能，如果RMN检测到网络活动，它就会在操作模式切换到等待模式，但是将会以一个标准CN进入系统。连接选择器
除了堆栈更换，阿尔斯通的专家们开发了连接选择器，这个创新使得网络能够对冗余数据线进行操作。与HUB相似，它连接了数据行输入和受控节点，扮演了一个关联操作者的角色，并且将信号输送线与CN相连，如果一个线路中断，开关切换到另一个。电缆断掉也能通过连接选择器发送信息来定位。
应用
在完成所有模式及技术开发后，阿尔斯通进入一个仿真阶段，在阿尔斯通的工业化安装中，系统是否能够适应特殊过程必须通过基于计算机模式进行验证。重中之重，仿真确定我们的初步估计，这展现了100Mbps以太网足以满足数据负载的要求。结果是，我们创造了丰富的特殊过程，并测试了在这些情况下的系统功能，Potier描述了这个漫长的仿真阶段，我们不能在确认之前投入操作，除非它如我们所愿的那样工作。
由于 POWERLINK通常设计为双口Hub的形式在控制器、驱动器上，那么就可以采用一进一出的方式进行连接，将末位的一个重新连接回到第一个主站构成一个环形通信冗余，这样即使产生网络的中断，那么，系统仍然可以重新自动配置网络成为一个线性的网络来进行数据传输，总有一条路是可以给你选的。
4.5 多主冗余
冗余主站 RMN（Redundant Managing Node）在PowerLINK网络中表现为两种状态，即StandBy和 Active。在任意时刻，全网中只能有一个RMN处于Active状态，其他的RMN都必须保持在StandBy状态，并保持监听，以便在出现故障时随时接管网络。
图10
在传统的单主网络中，MN的节点号被固定为240，而在一个多主环境中，每个RMN都有自己独立的节点号，当其处于StandBy状态时，使用其自身节点号来进行监听和通信，而当处于Active状态时则采用节点号240来发送控制信息，采用自身节点号来发送PRes。对于一个RMN，要实现以下基本功能：
-
采用一个基于优先级的接管机制，选择最合适（接管最快）的RMN来接管网络；
-
确保接管的前后，网络上的所有节点的工作状态不受影响；
-
确保全网的时间同步，即SoC的时间戳同步。
另外，在整个网络初始化时，可以选定某一特定RMN作为初始的Active MN，并由该节点将整个网络的CN配置列表发送给其他的RMN。
图11
完整的冗余主站应当具有以下功能·标准主站
·标准从站
·实时数据备份
·CFM配置
·命令切换
·碰撞检测退避
·AP可控
4.6 介质冗余
在POWERLINK实时工业以太网中，为了实现网络健壮性，采用双网或三网冗余设计。即在这双网或三个网络中同时收发相同的数据，其中任意一条网络都可以被认为是主通讯线路，而其他网路是这条主通讯线路的备份。当主通讯线路不畅时，备份通路仍然可以通讯，从而保证网络健壮性。设计中保持MAC层以上的网络结构不变，只针对介质层进行冗余设计，即在PHY上来的数据进行冗余设计。
图12
例如：在三网介质冗余中，MAC对每路的数据都是一个3端口的HUB对数据进行转发，这意味着一个口进数据，另两个口对数据进行转发(转发的一个口数据给MAC、另一个口数据被转发到下一个节点)。而对上到MAC的三路数据选择最优数据(质量好的数据，可以用CRC来进行判断)最终给到MAC。
技术实现
作为 openSource Techonology，POWERLINK技术可以提供给各个自动化组件制造商来使用，任何加入EthernetPOWERLINK组织的成员、个人均可使用此openSource技术，获得源代码并据自己实际开发其自身应用。
5.1 FPGA从站 实现
FPGA从站方案
与其它的实时总线基于ASIC不同，POWERLINK可采用通用的芯片来实现，如ARM，FPGA，多协议芯片如Hilscher的Net X芯片，以及龙芯等，相较而言，基于FPGA的实现可以实现更高的实时性能，例如ALTERA和XILINX的通用FPGA芯片即可，基于FPGA可以达到200uS的系统刷新能力，因此FPGA为主推的POWERLINK实现。
FPGA从站硬件参考电路
FPGA从站设计框架
5.2 主站实现
图13 POWERLINK主站实现
POWERLINK是一个软协议，可以运行在各种操作系统平台上，也可以直接运行在标准PC上即可，图13即显示了一个标准PC上的POWERLINK主站，可以访问B&R X20分布式I/O系统，也可以访问其它POWERLINK从站如传感器和变频器设备。这是POWERLINK最简单的实现方法，但是，这个方法下依赖于平台，如WindowsCE Embedded、RT-Linux，相对而言，这些应用的刷新周期要在mS级，RT-Linux可实现较快的速度，但是要根据系统的裁剪而定，也可以达到uS级的周期时间。应用前景
6.1 CNC 与机器人
在机器人系统中，为了实现机器人动作的变化，需要对其进行路径规划的算法设计，由于机器人的各个关节的机械参数的不同，例如各机械臂长度，工作范围限制，机械当前位置的差异，路径规划需要确保机械执行能够具有最快的到达指定位置，而又每个轴具有较低的机械振动，并且在运行过程中及时反馈当前信息，以为下一步的执行提供参考，这一运动过程需要高速的数据通信来建立轴与轴之间的位置关系的绑定，这对通信提出了更高的要求，实时通信在机器人系统里得到了最为现实的应用。
同样的道理，CNC系统的工作是将插补信息通过总线传递给每个伺服轴，在整个CNC系统里，由于精度、速度和时间具有如下的关系：
dS=dv*dt
位置的精度=速度的变化*时间
而为了保证高精度和高速，则dt值将需要足够小，这是为什么在CNC系统里需要更高的通信速度的原因，另外一个值得注意的是，传统的CNC系统的速度环控制往往运行在主CPU上，反馈元件如编码器数据回到CNC上位系统，使得对于CNC系统而言，除了计算插补，也要计算速度和位置环，这使得对于高速系统达到uS级的刷新要求，在专用的系统里这一速度甚至达到31.625uS或62.5uS，由于智能型伺服驱动器的出现，速度与位置环的计算可以在分布式伺服本地执行，使得这一对总线的需求降低，但是，仍然要达到百微秒级的刷新要求。
6.2 高速多轴系统应用
随着无轴传动技术的使用，在产业机械的各个领域如包装、印刷、纺织、塑料等领域，为了降低传统的机械长轴通过蜗轮蜗杆方式传递所带来的机械磨损造成的偏差，以及为了更为灵活的工艺切换，无轴传动技术得到了更为广泛的应用，这些系统为了实现各个运动轴之间的高速同步，需要由一个高速总线来实现各个轴之间的速度与位置关系按照一个工艺需求的曲线或同步关系来执行，通常这一需求在百微秒级，这需要与伺服系统的位置环相匹配，智能型的伺服系统的位置环计算已经达到400uS甚至更低的周期时间，这也使得通信必须在这个级别上与之匹配。
可以应用领域包括：
l 印刷机械无轴传动系统
l 啤酒饮料灌装系统
l 全电动注塑成型与中空成型系统
l 流延膜生产线
l 化纤设备高速卷绕
l 棉纺粗纱、细纱机
l 婴儿/成人纸尿裤生产线
l 轮胎成型与裁断系统
l 单晶硅/多晶硅多线切割机
l ……
这些高速的应用系统里，Ethernet POWERLINK的优越性已经体现无疑，并在继续延伸其在多轴高速运动控制系统的应用领域。
6.3 航空与高铁测试系统的时序分析
除了机器人与机械系统高速同步需求外，高速测试系统对于数据交换的确定性提出了要求，为了确保在系统故障时对于各个子系统和传感器等数据的时序进行分析，以使得工程师可以分析导致系统故障的各个原因，需要对于数据的确定性得到保障，这也是实时以太网的最关键应用，EthernetPOWERLINK由于采用了满足IEEE1588时钟系统设计，并且每个系统刷新过程都需要精确对时并给每个数据包打上时间戳，通过测试软件可以监控到每个数据包的发送时序，从而为系统诊断与调试提供可靠的数据分析基础。
机载测试系统
高铁信号采样系统
6.4 安全(Safety)应用
POWERLINKsafety是经过TUV认证的满足IEC61508标准和并且成为IEC61784-3标准，这使得它成为具有经过严格认证的安全技术标准，由于其独特的双CRC校验设计，使得其在保证数据交换的完整性方面优势突出。带有时间戳的数据包确保了数据重复、插入与时序混乱的产生，所有安全相关数据均在实时监控之下，类似一个看门狗的设计保证了数据不被丢失和延迟，独特的帧设计保证其不会造成安全帧与其他数据帧产生混乱。
在未来，安全技术将会成为关注的重点，一方面，人性化的系统设计要保护人的生命与免除机械伤害，而另一方面保护机器的设备投资也变得更加重要，在以下领域里Safety技术将发挥更大的效能：
l 汽车生产与制造；
l 轮胎生产线；
l 具有裁切装置的机械设备如印刷后道、卷筒纸切纸机构；
l 风力发电机组；
l 塑料机械；
l 啤酒饮料灌装系统；
l 纺织机械如经编机、碳纤维卷绕；
l 物流输送系统；
l 大型锻压与铸造设备；
l 数控机床
l ……
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。
中国用户组织机构为成员共同发起，并规划为理事会结构，成员代表大会为最高决策机构。成员代表大会下设理事会，由理事长与若干副理事长组成，负责组织的发展方向和决策并向成员代表大会汇报，理事会设秘书处，协调组织日常事务工作，召集会议并传达落实成员代表大会文件和负责日常事务的沟通，同时设有技术支持组、市场推广组、预算组来具体执行组织的日常技术支持、市场宣传与推广、预算使用情况，并向理事长汇报，在每年召集的成员代表大会上理事长向全体成员汇报组织的工作开展和未来的工作计划。