一：引言
隨著計算機、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，因此，需要建立包含從工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層到控制層、管理層等各個層次的綜合自動化網(wǎng)絡(luò)平臺，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)?，F(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)運行一線測量與控制信息傳輸?shù)奶厥馊蝿?wù)，并產(chǎn)生或引發(fā)物質(zhì)或能量的運動和轉(zhuǎn)換，因此它通常應(yīng)滿足強實時性、高可靠性、惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)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(xiàn)了各種現(xiàn)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(fā)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(xié)出一個共同國際標(biāo)準(zhǔn)。在后來的實際項目實施中也不可避免的涉及到了多種現(xiàn)場總線的通訊問題，如與鼓風(fēng)機設(shè)備（國外原裝進(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)在類似項目中可供選擇的呢？Ethernet Powerlink(EPL)工業(yè)實時以太網(wǎng)的技術(shù)無疑讓人眼前一亮。
二：ETHERNET POWERLINK技術(shù)
ETHERNET POWERLINK（簡稱EPL）國際標(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OEM用戶在40000多臺設(shè)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(jié)點數(shù)超過了30萬個。
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；實時數(shù)據(jù)傳輸周期最小達(dá)200μs；抖動小于1μs；可同時傳輸實時和非實時數(shù)據(jù)；可同時傳輸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)議的實時性問題，由于我們更傾向它的實際應(yīng)用效果，所以對EPL內(nèi)部工作機制不在描述，感興趣的朋友可以瀏覽相關(guān)網(wǎng)站或與EPSG組織聯(lián)系。
下面的這個圖可以更好的說明EPL的出現(xiàn)給工程設(shè)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(yè)控制網(wǎng)絡(luò)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(zhí)行器，該層主要處理各類傳感器、各類執(zhí)行機構(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，但實時性要求很高，ms級別。
2：過程控制層（Process Layer）：對象是各個遠(yuǎn)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(shè)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(guān)的服務(wù)器及工程師站、操作員站等，該層主要處理各個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(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(xiàn)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(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的協(xié)議，真正實現(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、擴容都很方便，它的出現(xiàn)很好的克服了傳統(tǒng)現(xiàn)場總線互不兼容，不能真正實現(xiàn)信息無縫共享；速率低，應(yīng)用有限；專用網(wǎng)絡(luò)，成本高等幾點不足。
三：EPL特點綜述
保證確定通信
EPL是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上惟一的符合IAONA實時類“3+4”的實時協(xié)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(shù)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(zhí)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(fā)下來的指令在一個確定的時間內(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間敏感數(shù)據(jù)同時傳送，從而實現(xiàn)從管理層到驅(qū)動器和傳感器的無縫的IT集成。符合標(biāo)準(zhǔn)的另一個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設(shè)備設(shè)計的，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
簡單的布線和配置對于機器制造商十分重要。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)。與基于交換機的實時以太網(wǎng)系統(tǒng)不同，EPL不僅提供了極高的定時精度，而且還提供了適應(yīng)項目需要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。支持多樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)給設(shè)計院在設(shè)計過程中也帶來了很大的便利，不用再擔(dān)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(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。在實現(xiàn)微秒級周期時間和精度時，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)點的信息交換
EPL允許信息在網(wǎng)絡(luò)中任意兩個或多個節(jié)點之間交換。與一些所有信息必須經(jīng)過一臺主設(shè)備的現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)的模式不同，在使用EPL網(wǎng)絡(luò)時，數(shù)據(jù)會被發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)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(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提供定時同步。在實時網(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間為毫秒級的低實時時或中實時要求的系統(tǒng)中。
四：后記
基于以上的特點，我們在2003年項目初期就向設(shè)計方和業(yè)主方介紹了EPL技術(shù)，也得到了雙方的一致認(rèn)同。我們在主干網(wǎng)絡(luò)以及各個現(xiàn)場控制中均設(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，項目實施后得到了業(yè)主及設(shè)計院方的高度評價，EPL網(wǎng)絡(luò)的使用，不僅投資上沒有增加，還給后續(xù)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(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，EPL一線到底的優(yōu)勢并沒有發(fā)揮完全，但目前來說，這一問題已經(jīng)得到了很好的改觀，我們在后續(xù)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(jù)悉，2008年初，Ethernet POWERLINK工業(yè)以太網(wǎng)順利通過IEC國際標(biāo)準(zhǔn)；且EPSG組織也宣布將POWERLINK源代碼開放，個人及廠商均可在網(wǎng)上下載到此技術(shù)的源代碼，開發(fā)自己的POWERLINK產(chǎn)品；同時貝加萊公司也宣布EPL率先邁入千兆以太網(wǎng)時代；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。
