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Ethernet Powerlink

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Ethernet Powerlink是在標準乙太網路上的即時通訊協定,是由Ethernet POWERLINK標準化組(EPSG)管理的開放通訊協定,是由奧地利自動化公司B&R英語B&R在2001年開始使用。

此通訊協定的名稱中雖然有Power,但是和乙太網路網線的電力分佈、乙太網路供電(PoE)、電力線通訊(power line communication)或鉑傲的PowerLink纜線都沒有關係。

簡介

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Ethernet Powerlink是Ethernet的擴展,混合了輪詢以及時間切片(timeslicing)機制,可以提供:

  • 時間關鍵資料可以確保在非常短的等時(isochronic)週期中傳送,具有可規劃的回應時間。
  • 網絡上的所有節點都可以時間同步(Time-synchronisation),精度可以到微秒以下。
  • 比較沒有時間關鍵性的資料傳輸是在一個專屬的非同步英語asynchronous communication通道中傳輸。

目前的實現方式其循環時間可以到200 µs以下,其時間精度(jitter)小於1 µs。

標準化組織

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Ethernet Powerlink由Powerlink標準化組(EPSG)所推動的,此組織在2003年6月成立,是獨立的協會。

標準化組中有許多的工作組,例如安全、技術、行銷、認證及終端客戶。EPSG和標準化組織及協會一起運作,類似CAN in Automation(CiA英語CAN in Automation)及IEC(電際電工協會)的關係。

實體層

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Ethernet Powerlink原來的實體層是100BASE-TX 快速乙太網路英語Fast Ethernet,自從2006年底開始,實體層可以支援十億位元乙太網路,其傳輸速率可以提昇到十倍(1,000 Mbit/s)。

在實體控制的區域中,建議用集線器(hub),不要使用網絡交換器(switch),可以減小延遲以及時間抖動(jitter)[1]。Ethernet Powerlink使用IAONA的Industrial Ethernet Planning and Installation Guide,可以使用二種工業乙太網的接頭:8P8C(常稱為RJ45)及M12。

資料鏈結層

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Ethernet Powerlink利用額外的匯流排調度機制(bus scheduling mechanism),擴展了標準乙太網的資料鏈結層,確保同一時間只有一個節點可以存取網絡。調度機制中分為等時階段(isochronous phase)以及非同步階段(asynchronous phase)。在等時階段中會傳送時間關鍵的資料,非同步階段則會提供頻寬,傳送非時間關鍵的資料。管理節點(Managing Node,簡稱MN)會用輪詢請求訊息的方式允許其他節點存取網絡。因此同一個時間只有一個節點(CN)可以存取網絡,避免以往在使用網絡交換器之前,乙太網集線器上會有的資料碰撞(collision)情形。以往沒有網絡交換器的乙太網使用的CSMA/CD機制會產生非確定性的乙太網行為,Ethernet Powerlink使用匯流排調度機制,不會出現這類的行為。

基本週期

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在系列啟動之後,會在實時條件下運作Real-Time domain。基本週期(basic cycle)的排程是由管理節點(Managing Node)所控制,整體的週期時間會依非同步資料的數量、等時資料的數量,以及每一個週期要輸詢的節點數量而定。

基本週期包括以下的階段:

  • 啟動階段(Start Phase):由管理節點送同步訊息給所有節點,此資料框稱為SoC,週期開始(Start of Cycle)。
  • 等時階段(Isochronous Phase):管理節點會輪流傳送Preq - Poll請求資料框給每一個節點,傳送有關製程控制或是運動控制的時間關鍵資料。定址到的節點會回覆Pres - Poll回覆資料框。在這個階段,所有不在傳送狀態的節點都處於接收模式,因此此時的通訊系統是生產者-消費者(producer-consumer)的關係。

包括Preq-n和Pres-n在內的時間框稱為定址節點的時間槽(time slot)。

  • 非同步階段(Asynchronous Phase):管理節點送出SoA(Start of Asynchronous,非同步啟始)資料框給某特定節點,授權給該節點傳送特設(ad-hoc)資料。定址到的節點會回覆ASnd。標準以IP為基礎的通訊協定及定址方式可以在此階段傳送。

網絡實時通訊行為的質素會和整體基本週期時間的精度有關。個別階段的長度會變化,不過所有週期加起來仍要在基本週期時間的邊界內。管理節點會監測基本週期時間的一致程度。可以規劃非同步及等時階段的時間。

The Ethernet Powerlink Cycle

圖1:時間線上方的資料框是由管理節點送出,時間線下方的是由不同的節點送出。

圖2:各節點的時間槽以及非同步的時間槽

頻寛最佳化的多工(Multiplex for Bandwidth Optimization)

網絡系統中除了在每一個基本週期傳送非同步資料外,為了提高頻寛利用率,有些節點也可以共用傳送時間槽。因此,非同步階段可以區分專屬於特定節點,每一個基本週期都可以傳送資料的時間槽,另外一些時間槽則是由幾個節點共用,幾個基本週期才會傳送一次資料。因此其他也有時間關鍵資料,但優先度較低的節點,可以在時間為基本週期整數倍的週期來傳送。管理節點可以規劃每個傳送週期中的時間槽。

圖3:EPL的多工模式

輪詢響應鏈

輪詢響應鏈(Poll response chaining)模式主要是用在機械人應用以及大型的超級結構(superstructures)。其關鍵是資料框的數量以及較好的資料分佈。

OpenSAFETY

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目前,機械、工廠以及安全系統由基於硬件的安全功能組成的嚴謹方案中。結果是昂貴的網絡線以及有限的診斷選項。其解法是將安全相關的應用資料整合到串列控制的通訊協定中。OpenSAFETY英語OpenSAFETY允許publish/subscriber及client/server兩種通訊方式。安全相關資料是在標準通訊訊息中的嵌入資料框中傳送。功能安全通訊協定中,需要有避免因為系統錯誤或是隨機錯誤造成未偵測到失效的機制,是其整體性的一部份。OpenSAFETY符合IEC 61508,滿足安全完整性等級(SIL)3的要求。錯誤偵測機制不會影響現有的傳輸層。

腳注

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參考資料

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外部連結

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