实时以太网ethernetpowerlink技术综述

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1、实时以太网EthernetPowerLink技术综述一、工业控制中对实时以太网的需求工业屮对实时以太网的需求主要有两个指标：一是实时性，二是抖动性能。1.1实时性什么是实时性，实时性不等于高性能。在工业控制领域，实时可定义为系统对某事件的响应可以再可预测的时间内完成。即实时性是指系统可以在一个预定的时间范围内做出相应的响应。至于预定的时间范围则和具体的应用相关。根据应用需求一般把实时性划分为四个级别，如下表1所示。表1工业自动化领域中各应用场合对实时性的要求应用场合实时响应时间信息集成度较低的过程自动化应用场合>100ms绝大多数的工厂

2、自动化应用场合1-lOOms高性能的运动控制应用1OOus-1ms高动态同步过程<100us如表1所示，信息集成度较低的过程自动化应用场合（如化工工程工业）中，一般响应在秒级/（）100ms）就可以满足系统的实时性要求；而在绝大多数工厂自动化应用场合一般5-10ms响应时间就对以满足要求了；但是在在高性能同步运动控制（高速过程、机器人）中一般是需要小于1ms的实时响应时间才能满足系统的要求；另外将高动态同步过程等实吋性要求更高（vlOOus）的应用划为第四个等级。1.2抖动抖动即同样过程每次完成时间的偏差。可以理解为时间精度，如下图1所

3、示。抖动(Jitter)图1抖动时间示意图根据工业自动化开放网络联盟（IAONA）的定义实时性屮网络抖动可以分为四个级别,如下表2.2所示表2.2IAONA规定的网络抖动时间等级应用场合网络抖动时间楼宇控制，监控系统，非时间关键的过程，仓库系统控制等100ms-Is输送系统，简单的回路调节10ms-100ms数控机床，高速过程，机器人等100us-lms高动态同步，多轴同步lus1.3通信周期一般来说，控制系统程序都是以周期循环的方式运行，在一个周期内，获取数据，然后完成计算任务，接着输出数据，这样进入下一个周期。显然，控制系统时间周期

4、是由被控对象来确定的，对于化工过程控制以1秒作为吋间周期基本上就能满足要求了，可是对于高速过程就得以小于1ms的时间作为周期才能满足系统要求。对于联网设备来说，一般系统的运行周期与通信周期相对应是比较合适的。因为对于化工过程控制400us的通信周期显然并不比Is的通信周期能提高系统的整体性能。但是在位置控制、多轴联动等过程中，更快的数据交换速率显然是可以提高系统的整体性能的。二、PowerLink的技术特点PowerLink主要有两方面的技术特点：一是实现了与IT技术的无缝连接，可以继续使用IP协议族；另一方面是开发了新的网络协议栈取代

5、了传统的TCP/IP协议栈，从根本上实现了网络数据的实时有效管理。这两方面并不矛盾，在下一节再作说明。2.1实现与IT技术的无缝连接PowerLink通信模型采用3层结构，其与ISO参考模型的对照如下图2所示。PowerLink通In模型ISO參考旗型PowerLink应用足2PowerLink数据传输眼务1IEEE802.3U图2PowerLink实时通信模型与ISO参考模型对照示意图如上图2,PowerLink的物理层和数据链路层的媒体访问控制子层均采用IEEE802.3U标准，这使得PowerLink使用标准的快速以太网标准作为传

6、输媒介。中间层主要完成数据传输服务，负责完成数据传输和网络调度管理，满足各种应用对实时性的要求。顶层规定了应用层的数据结构，釆用CANopen协议，以满足不同厂商设备间的互操作性。由于PowerLink的底层是并采用IEEE802.3u标准，所以在中间层、以及顶层，可以实现IT技术的链接。通过屮间层的管理，系统可以在规定的时间内使用FTP、HTTP等非实吋模块协议来通信。2.2新的网络协议栈PowerLink底层使用的是快速以太网标准，但是快速以太网不能避免数据的碰撞。为此，PoweLink使用SCNM（SlotCommunicatio

7、nNetworkManagement）机制來避免数据碰撞。如下PowerLink的协议栈示意图，数据链路层的逻辑链路子层、NMT模块、SDO序列以及UDP、TCP、IP组成了协议栈的中间层（数据传输服务层）。应用层数据分三类到达数据链路层的逻辑链路子层，即：PDO、SDO和IP数据包。PDO属于实时数据，会立即经由数据链路层发出；SDO属于网络网管理数据，首先到达SDO序列，然后在规定时间直接发往数据链路层，或者由UDP在异步阶段发往数据链路层；IP数据包（包括TCP和UDP）—律中异步阶段发送。数据的接受也是遵循类似的优先级。NMT驱

8、动文件配置管理PowerLink应用层PDOSDO命令SDO序列UDPIPPowerLink数据链路层图3POWERLINK通信栈结构示意图三、PowerLink的报文格式由于PowerLink底层采用IE