在現(xiàn)代機(jī)械制造中，多軸運(yùn)動(dòng)控制已經(jīng)越來越普遍，用電子方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)軸之間協(xié)調(diào)同步，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪和齒輪，給機(jī)械設(shè)計(jì)制造帶來了巨大的靈活性。以往只有通過復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)和加工才能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)過程，現(xiàn)在可以通過軟件編程輕松實(shí)現(xiàn)。而且，使用電子運(yùn)動(dòng)控制，精度更高，動(dòng)態(tài)性能更好，沒有機(jī)械損耗，使維護(hù)變得方便而簡(jiǎn)單。用戶可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的，模塊化的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

在幾乎所有的機(jī)械制造領(lǐng)域中，特別如紡織機(jī)械，印刷機(jī)械，包裝機(jī)械，塑料機(jī)械，食品機(jī)械等，多軸運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，成為高性能，高品質(zhì)機(jī)械制造的重要標(biāo)志。

運(yùn)動(dòng)控制的核心是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸方式也逐漸由模擬量發(fā)展成基于總線的數(shù)字信號(hào)傳輸。為了有效協(xié)調(diào)同步各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)過程，實(shí)現(xiàn)高精度的多軸運(yùn)動(dòng)控制，一個(gè)實(shí)時(shí)高效的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)是必不可少的。

本文將討論高精度多軸運(yùn)動(dòng)控制對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)提出了什么樣的要求。然后以全球首個(gè)真正實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)ETHERNET Powerlink為例，介紹一個(gè)完全符合這些要求的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。

1. 多軸運(yùn)動(dòng)控制的模式和發(fā)展趨勢(shì) 在多軸運(yùn)動(dòng)控制中，各個(gè)廠商提供的控制理念和模式不盡相同，各種類型都有其優(yōu)缺點(diǎn)，用戶要根據(jù)自己的實(shí)際需求來選擇方案。

大體來說，控制模式可以從2個(gè)層面上區(qū)分：驅(qū)動(dòng)單元和總體架構(gòu)。從單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元來看，可以從智能集成度劃分等級(jí)，從總體控制架構(gòu)來看，有分布式和集中式2種模式 不同的解決方案對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求也不一樣，下面我們先介紹一下上面提到的控制模式，以及它們分別對(duì)通信系統(tǒng)的要求。

驅(qū)動(dòng)單元：非智能型和全智能型 對(duì)于單軸的驅(qū)動(dòng)器來說，可以對(duì)它內(nèi)部的智能集成度來進(jìn)行劃分。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心作用是按照控制要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)。可控的物理量有三個(gè)：扭矩，速度，位置。

傳感器把這三個(gè)物理量反饋到控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)這三個(gè)量的閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。眾多廠商提供的驅(qū)動(dòng)器按智能集成度大體可以分成三種類型：

1.開環(huán)式驅(qū)動(dòng)器

2.自帶電流閉環(huán)控制，速度閉環(huán)控制，有時(shí)也帶位置閉環(huán)控制的驅(qū)動(dòng)器

3.集成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的全智能型驅(qū)動(dòng)器

第一種開環(huán)式的驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)單純的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它本身只是一個(gè)放大器，把控制信號(hào)放大輸出給相應(yīng)功率的電機(jī)完成運(yùn)動(dòng)過程，所有的控制協(xié)調(diào)功能都由外部控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)， 第二種驅(qū)動(dòng)器自身集成了最多3層疊加的閉環(huán)控制。最底層是電流閉環(huán)，用來調(diào)制輸出扭矩，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)，最上一層為位置閉環(huán)。這里的位置閉環(huán)只是相對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置而言。如果要實(shí)現(xiàn)某種特定運(yùn)動(dòng)過程，比如在設(shè)定速度下精確定位，還需要外部的智能設(shè)備（運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)）。

第三種類型是集成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)本身除了有三層閉環(huán)控制的功能外，也集成了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，具有很高的智能，客戶可以直接對(duì)其進(jìn)行編程。機(jī)械行業(yè)應(yīng)用中的典型運(yùn)動(dòng)過程， 如包裝機(jī)械，印刷機(jī)械，塑料機(jī)械中的常見的機(jī)械動(dòng)作，被優(yōu)化成軟件工藝模塊集成到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)。用戶不需要再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的編程，直接給相應(yīng)的工藝模塊賦予參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜動(dòng)作。有些驅(qū)動(dòng)器內(nèi)甚至還集成PLC功能。這類驅(qū)動(dòng)器不需要外部的控制系就可以單獨(dú)完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，集中式和分布式

圖 1：幾種不同的驅(qū)動(dòng)器類型

從控制系統(tǒng)架構(gòu)來看，多軸運(yùn)動(dòng)控制可分為集中式和分布式。如果用上述第一，第二種驅(qū)動(dòng)器（低智能型），多軸運(yùn)動(dòng)控制則被集中完成，由一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元（如運(yùn)動(dòng)控制卡）控制多個(gè)低智能型驅(qū)動(dòng)器完成多軸運(yùn)動(dòng)控制。

圖 2：集中式多軸運(yùn)動(dòng)控制

集中式多軸運(yùn)動(dòng)控制在機(jī)器人領(lǐng)域比較常見，通常由一個(gè)運(yùn)算能力強(qiáng)大的中央控制系統(tǒng)來協(xié)調(diào)計(jì)算各個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)單元，完成復(fù)雜的三維動(dòng)作。

使用上述第三種驅(qū)動(dòng)器（高智能集成型），相應(yīng)的多軸控制任務(wù)可以直接分布到各個(gè)驅(qū)動(dòng)單元中去，實(shí)現(xiàn)完全分布式的多軸運(yùn)動(dòng)控制。

圖 3：分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制

分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在模塊化的機(jī)械制造當(dāng)中，每個(gè)機(jī)械單元可以獨(dú)立工作，用戶可以對(duì)機(jī)械進(jìn)行靈活的配置，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。

驅(qū)動(dòng)器中集成安全功能 在涉及到人員和物品安全的領(lǐng)域，安全功能必須得到保證, 國(guó)際上已經(jīng)出臺(tái)了相應(yīng)的法律法規(guī)，在不同的機(jī)械制造行業(yè)中，越來越多的設(shè)備中必須配備專門處理安全任務(wù)的驅(qū)動(dòng)器。國(guó)際上已經(jīng)為此制定了設(shè)備安全方面的重要標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508。可以預(yù)見，今后很多設(shè)備必須符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)才能夠投放到市場(chǎng)當(dāng)中去。

帶有集成安全功能的標(biāo)準(zhǔn)智能驅(qū)動(dòng)器是目前的發(fā)展趨勢(shì)，帶有安全功能的驅(qū)動(dòng)器可以在緊急情況下，自動(dòng)將設(shè)備減速到一個(gè)非危險(xiǎn)狀態(tài)，或安全地停止整個(gè)設(shè)備。甚至在其他控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，安全功能也必須得到保證。

2. 多軸運(yùn)動(dòng)控制對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求

數(shù)據(jù)量，通信周期，時(shí)間同步性 多軸運(yùn)動(dòng)控制對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)最核心的要求是實(shí)時(shí)性，除此之外，也需要考慮以下因素：

•數(shù)據(jù)交換的頻繁度，（通信周期），

•各個(gè)站點(diǎn)之間的通信關(guān)系 ，

•數(shù)據(jù)包的大小，

•站點(diǎn)間的時(shí)間同步精確度， 在集中式的控制模式中，有時(shí)候甚至電流（扭矩）的閉環(huán)控制也是由外部中央控制系統(tǒng)完成。交換的數(shù)據(jù)主要是傳感器反饋的實(shí)際值和主控單元發(fā)出的設(shè)定值，這些數(shù)據(jù)被放在在很小的數(shù)據(jù)包里，很頻繁地在穿梭在主控單元和各驅(qū)動(dòng)器之間，系統(tǒng)偶爾可能要讀取一下如驅(qū)動(dòng)器溫度等診斷參數(shù)。這樣，通信周期越短越好，通常在50us或更小。通信關(guān)系是主控單元對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)器單元間的雙向通信，驅(qū)動(dòng)器單元之間無需數(shù)據(jù)交換。

圖 4：集中式運(yùn)動(dòng)控制中的典型數(shù)據(jù)交換

在分布式控制模式中，位置，速度，電流閉環(huán)在各驅(qū)動(dòng)器單元內(nèi)部完成，為了協(xié)調(diào)各軸的動(dòng)作，需要交換的數(shù)據(jù)包就相對(duì)要大一些，主要包含位置，速度，電流等信息。由于象閉環(huán)控制這樣的對(duì)運(yùn)行周期時(shí)間和精度都要求很高的任務(wù)已經(jīng)在驅(qū)動(dòng)器單元內(nèi)部完成，它們之間的數(shù)據(jù)交換就可以相對(duì)慢一些，速度信息通常每400us左右交換一次，位置信息1－2ms交換一次即可。各站點(diǎn)之間通信關(guān)系可以是任意的，主控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器單元，以及驅(qū)動(dòng)器單元間應(yīng)該可以任意點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

圖 5：分布式運(yùn)動(dòng)控制中的典型數(shù)據(jù)交換

不管使用哪一種模式，通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)都必須具有很高的時(shí)間同步精度。主控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器單元必須通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高精度同步。所以，網(wǎng)絡(luò)本身的實(shí)時(shí)性對(duì)控制質(zhì)量有著直接的影響。

維護(hù)和診斷

在對(duì)設(shè)備的檢測(cè)維護(hù)過程中，上位系統(tǒng)必需可以對(duì)驅(qū)動(dòng)器中任何變量和參數(shù)進(jìn)行訪問，需要時(shí)還要進(jìn)行修改。所以，通信系統(tǒng)除了傳輸同步信息外，還要為這類非同步信息留下空間。

集中式控制模式中的絕大部分相關(guān)參數(shù)已經(jīng)存在主控單元中，各驅(qū)動(dòng)器單元的診斷數(shù)據(jù)主要是一些少量的狀態(tài)信息，顯示系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。所以，通信網(wǎng)絡(luò)在集中控制模式中不需要為診斷信息預(yù)留很多帶寬。

分布式控制模式正好相反，由于控制智能被分散到各個(gè)驅(qū)動(dòng)器單元，相應(yīng)數(shù)據(jù)也是存儲(chǔ)在各個(gè)驅(qū)動(dòng)器中，驅(qū)動(dòng)單元各自獨(dú)立完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程，自行對(duì)運(yùn)動(dòng)過程做出響應(yīng)，各驅(qū)動(dòng)器中存儲(chǔ)了大量信息，比如凸輪曲線，診斷信息等。為了讓用戶可以更方便地訪問相關(guān)數(shù)據(jù)，很多高智能驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部甚至可以集成Web服務(wù)器，這樣，用戶可以直接用Web瀏覽器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。所以，在一個(gè)分布式的控制模式中通信網(wǎng)絡(luò)必須給診斷數(shù)據(jù)，參數(shù)下載等非同步信息預(yù)留比較大的帶寬空間。

同步信息：需要周期性交換的信息，如位置，速度，扭矩等，需要高同步精度。非同步信息：無需周期性交換的信息，如參數(shù)下載，狀態(tài)參數(shù)讀取等，沒有同步精度要求。

通信協(xié)議的高層抽象化

為了讓客戶能夠更加方便地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的控制單元（包括除驅(qū)動(dòng)器以外等其它設(shè)備）進(jìn)行編程，組態(tài)和維護(hù)，需要對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的低層協(xié)議進(jìn)行抽象化。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備具有的功能和參數(shù)都由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來進(jìn)行描述。用戶可以通過標(biāo)準(zhǔn)編程接口（APIs）訪問網(wǎng)絡(luò)中不同廠家的設(shè)備，而不需要考慮設(shè)備在通信上，功能上的具體細(xì)節(jié)。新接入的設(shè)備可以通過清楚定義的通信接口被自動(dòng)識(shí)別，被設(shè)置參數(shù)，自動(dòng)集成到整體系統(tǒng)中來。

集成安全通信

在一個(gè)整體控制架構(gòu)中，涉及到安全功能的控制設(shè)備（安全PLC，安全驅(qū)動(dòng)設(shè)備等）目前通常是單獨(dú)布線，自成獨(dú)立的安全通信網(wǎng)絡(luò)。如果把安全設(shè)備和其它設(shè)備整合到現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)中來，和主控系統(tǒng)共用一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，可以大大減少對(duì)設(shè)備組態(tài)，布線和維護(hù)的成本，同時(shí)提高設(shè)備的柔性和靈活性。當(dāng)然，安全性能在這種架構(gòu)中必須也能得到充分的保證，如果安全設(shè)備間的通信連接出現(xiàn)故障，系統(tǒng)必須能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

在涉及安全的部分中，系統(tǒng)必需自動(dòng)周期性檢核控制系統(tǒng)和通信是否無故障運(yùn)行。系統(tǒng)要識(shí)別任何通信中斷，數(shù)據(jù)包丟失或錯(cuò)誤，需要的話將整個(gè)設(shè)備停到一個(gè)安全的狀態(tài)下?？刂葡到y(tǒng)必須以極高的概率排除設(shè)備對(duì)人員或物資產(chǎn)生危險(xiǎn)的可能性。

按照IEC 61508和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62061，ISO 13849的規(guī)定，使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的通訊技術(shù)不足以獲得所需的可靠性和安全等級(jí)。使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒂锌赡軄G失，沖突或者亂序。為了保證數(shù)據(jù)的完整性，達(dá)到安全性的要求，安全網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用層定義了附加的數(shù)據(jù)檢核，包括監(jiān)控Watchdog定時(shí)器，檢測(cè)報(bào)文編號(hào)，確認(rèn)順序和標(biāo)記，以及額外的數(shù)據(jù)一致性檢核。

圖 6：IEC 61508 安全標(biāo)準(zhǔn)

為了把這些安全功能集成到現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線和通信網(wǎng)絡(luò)中來，近幾年已經(jīng)有一些帶有保護(hù)和監(jiān)測(cè)機(jī)制的，符合安全標(biāo)準(zhǔn)的專用通信協(xié)議被開發(fā)出來。

安全的訪問機(jī)制

對(duì)于設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)監(jiān)控來說，簡(jiǎn)單透明的訪問機(jī)制是非常有利的。用戶可以直接用Modem或者寬帶通過互聯(lián)網(wǎng)直接對(duì)設(shè)備上對(duì)任何一個(gè)控制單元進(jìn)行訪問維護(hù)。理想情況下設(shè)備中的通信系統(tǒng)可以直接使用互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議，在智能傳動(dòng)系統(tǒng)中集成的Web服務(wù)器就可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)被訪問，提供相應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)。

但是這種通信的透明度在實(shí)際情況下會(huì)帶來很多問題，網(wǎng)絡(luò)中的不安全因素（病毒，木馬，蠕蟲等）會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的設(shè)備帶來危險(xiǎn)。所以，在滿足遠(yuǎn)程訪問要求的同時(shí)，一個(gè)安全的訪問機(jī)制是必不可少的。外部網(wǎng)絡(luò)中無論是人為或非人為因素造成的故障不應(yīng)該影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行。對(duì)于多軸運(yùn)動(dòng)控制通信系統(tǒng)來說，通信故障造成的偏差不僅影響控制質(zhì)量，甚至也會(huì)造成設(shè)備損壞和對(duì)人員的傷害。

統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了節(jié)省開發(fā)維護(hù)的成本，在整體控制架構(gòu)中使用的網(wǎng)絡(luò)類型越少越好。最佳情況下，一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，可以滿足運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)高速實(shí)時(shí)通信的要求，也可以用來作為其它非同步數(shù)據(jù)的通信介質(zhì)（IO，人機(jī)界面，數(shù)據(jù)監(jiān)控采集等…）。以太網(wǎng)作為一個(gè)成熟的通信介質(zhì)，可以滿足用戶的多種需求。

3. ETHERNET Powerlink

提供完整的解決方案

以上提到了多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求，下面將以ETHERNET Powerlink 為例，介紹一個(gè)已經(jīng)得到驗(yàn)證的，成熟的解決方案。

ETHERNET Powerlink （以下簡(jiǎn)稱EPL）是由奧地利貝加萊（B&R）工業(yè)自動(dòng)化公司于2001年推出的全球首個(gè)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)推出后即被公開，任何公司單位個(gè)人都可以免費(fèi)獲取。由一個(gè)中立性的組織EPSG對(duì)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維護(hù)，目前已經(jīng)有全球超過200知名工控企業(yè)加入這個(gè)組織，包括大家熟悉的ABB，Alstom，Hirshmann，P＋F，Wago 等。 EPL建立在標(biāo)準(zhǔn)快速以太網(wǎng)IEEE802.3的基礎(chǔ)之上，協(xié)議運(yùn)行在一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)域中，所謂實(shí)時(shí)域（Real－Time－Domain）。

這樣就可以保證對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的通信要求（如多軸運(yùn)動(dòng)控制）不會(huì)被與之連接的非實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)（如辦公室網(wǎng)絡(luò)）所影響。

單個(gè)實(shí)時(shí)域內(nèi)最多可以同時(shí)接入240個(gè)站點(diǎn)。

同步段實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換

EPL是一個(gè)嚴(yán)格周期性的通信協(xié)議，它可以保證所有在實(shí)時(shí)域內(nèi)的站點(diǎn)以小于1us的時(shí)間精度相互同步。其中一個(gè)站點(diǎn)作為管理站控制整個(gè)實(shí)時(shí)域的時(shí)間特性。每個(gè)通信周期開始時(shí)，管理站會(huì)發(fā)出一個(gè)非常精確的同步信號(hào)SoC （Start of Communication）。

之后EPL協(xié)議為所有站點(diǎn)預(yù)留了一個(gè)時(shí)間片，用來進(jìn)行同步信息的通信，這個(gè)階段被稱作同步段。在同步段，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)站點(diǎn)都會(huì)被分配得到一個(gè)專用的時(shí)間片，有時(shí)多個(gè)站點(diǎn)也可以共用一個(gè)時(shí)間片（Multiplex模式），以便充分利用帶寬。

同步段結(jié)束后，協(xié)議還預(yù)留了一個(gè)時(shí)間段作為非同步信息（參數(shù)診斷，下載等）通信段。非同步信息對(duì)實(shí)時(shí)性沒有要求，所以每個(gè)同步周期只有唯一一個(gè)站點(diǎn)可以發(fā)出非同步信息就可以滿足要求。

圖 7：每個(gè)站點(diǎn)都被分到一個(gè)時(shí)間片，每個(gè)通信周期都預(yù)留非同步數(shù)據(jù)段

通信機(jī)制采用廣播形式，所有站點(diǎn)都可以同時(shí)接受信息，這樣，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)站點(diǎn)中的橫向數(shù)據(jù)交換，如驅(qū)動(dòng)單元間的直接數(shù)據(jù)交換。這樣，集中式和分布式兩種控制模式的要求都可以得到滿足。

EPL的報(bào)文格式完全符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)幀格式，使用市場(chǎng)上任何一種以太網(wǎng)芯片就可以方便地實(shí)現(xiàn)EPL協(xié)議，成本非常低廉。使用市場(chǎng)上完全以軟件方式實(shí)現(xiàn)的EPL系統(tǒng)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文，最短通信周期可以達(dá)到100us。單個(gè)報(bào)文最長(zhǎng)可以有1500個(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

通信周期的最短時(shí)間，時(shí)間片的數(shù)量，以及單幀報(bào)文的長(zhǎng)短都可以由用戶自由設(shè)置。通過對(duì)這類參數(shù)的設(shè)定，EPL可以適合不同場(chǎng)所不同類型的應(yīng)用要求，特別在多軸運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，可以滿足集中和分布2種控制模式對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的要求。EPL的具體參數(shù)如下：

公開的協(xié)議，知識(shí)產(chǎn)權(quán)完全開放

符合IEEE 802.3, IP-協(xié)議, CANopen 和其它多種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的高實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)交換

可實(shí)現(xiàn)100µs 通信周期 和 <1µs 的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)（Jitter）

可實(shí)現(xiàn)任意靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

用TCP/UDP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)透明通信

現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)有超過15萬個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用

可用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件模塊實(shí)現(xiàn); 無需設(shè)計(jì)專用芯片

標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)有超過200家知名企業(yè)作為會(huì)員

非同步數(shù)據(jù)可使用TCP/UDP/IP 在非同步段，數(shù)據(jù)可以依舊使用標(biāo)準(zhǔn)IP－報(bào)文格式傳輸，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用也可以在EPL協(xié)議堆棧上輕松實(shí)現(xiàn)，如Web服務(wù)器，e-mail服務(wù)等。如果給一個(gè)EPL站點(diǎn)賦予IP地址，就可以通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議在世界任何一端直接訪問此站點(diǎn)。

圖 8：無論哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)層面都可以直接訪問EPL站點(diǎn)

在EPL站點(diǎn)傳輸非同步數(shù)據(jù)之前，先報(bào)告給管理站，管理站通過一個(gè)優(yōu)先分配清單來統(tǒng)一調(diào)配分給各站的非同步時(shí)間段。

應(yīng)用層（第7層）使用CANopne協(xié)議

在協(xié)議的應(yīng)用層，EPL直接使用靈活的CANOpen作為通信和設(shè)備描述的協(xié)議。由于EPL使用的是快速以太網(wǎng)作為其通信介質(zhì)，它的通信速率可以比CAN總線快將近100倍，使用的卻是同一種應(yīng)用層接口。

EPSG組織和CiA（CAN in Automation）合作，把CANopn種的DS301和DS302規(guī)約移植到EPL中來。每一種符合EPL標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備都由一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)備模型來描述。設(shè)備模型的核心部分是通過對(duì)象字典（Object Dictionary）對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行描述。對(duì)象字典分為兩部分，第一部分包括基本的設(shè)備信息，例如設(shè)備ID，制造商，通信參數(shù)等等。第二部分描述了特殊的設(shè)備功能。一個(gè)16位的索引和一個(gè)8位的子索引唯一確定了對(duì)象字典的入口。通過對(duì)象字典的入口可以對(duì)設(shè)備的"應(yīng)用對(duì)象"進(jìn)行基本網(wǎng)絡(luò)訪問，設(shè)備的"應(yīng)用對(duì)象"可以是輸入輸出信號(hào)，設(shè)備參數(shù)，設(shè)備功能和網(wǎng)絡(luò)變量等等。

圖 9：EPL設(shè)備模型符合CANopen標(biāo)準(zhǔn)

需要高同步精度的時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過過程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO（Process Data Object）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)站點(diǎn)都可以讀取PDO，并對(duì)它進(jìn)行處理。PDO的數(shù)據(jù)內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初始階段就被設(shè)置好。所以數(shù)據(jù)傳輸本身可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間優(yōu)化，而且不帶附加數(shù)據(jù)（幀頭尾等）。

EPL 可以在一幀同步報(bào)文中最多傳輸1490個(gè)字節(jié)，而CAN總線最多只有8個(gè)字節(jié)。參數(shù)下載，診斷數(shù)據(jù)等非時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以放在服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象（SDO）中傳輸。在非同步段的SDO的傳輸遵循 客戶端/服務(wù)器 模式。網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)EPL站點(diǎn)都可以通過對(duì)象字典（Object Dictionary）訪問另一個(gè)站點(diǎn)的SDO。數(shù)據(jù)量的大小沒有限制。通過使用UDP/IP 報(bào)文格式也可以直接從互聯(lián)網(wǎng)上訪問SDO。

圖 10：EPL可以用UDP傳輸CANopen SDO

通過協(xié)議應(yīng)用層上和CANopen兼容，EPL滿足了網(wǎng)絡(luò)高層抽象化的要求。而且在CAN總線和EPL共存的網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以使用統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議和編程接口。

安全工業(yè)以太網(wǎng)

EPLsaftety 是EPL最新的協(xié)議擴(kuò)展。EPLsafety是一個(gè)已經(jīng)得到在EPL網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行安全性認(rèn)證的協(xié)議。它達(dá)到了IEC 61508 中的SIL 3等級(jí)，在減少數(shù)據(jù)量的情況下甚至可以達(dá)到SIL 4 等級(jí)。

有關(guān)安全功能的數(shù)據(jù)被包在EPLsafety協(xié)議中傳輸。EPLsafety報(bào)文的長(zhǎng)短始終保持和應(yīng)用中所需的安全功能有效數(shù)據(jù)量相符。協(xié)議的檢核功能動(dòng)態(tài)地適應(yīng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。IEC61508 安全標(biāo)準(zhǔn)在任何情況下都可以得到滿足，而所需的安全系統(tǒng)傳輸帶寬卻可以保持在最小。

圖 11：EPLsafety 報(bào)文自動(dòng)動(dòng)態(tài)地適應(yīng)有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)短

EPLsafety 充分利用了以太網(wǎng)報(bào)文結(jié)構(gòu)中提供的最多1500字節(jié)的協(xié)議框架。多個(gè)安全功能的信息可以同時(shí)被放在一個(gè)EPLsafety Container （數(shù)據(jù)塊）中，由一個(gè)以太網(wǎng)報(bào)文傳輸。和EPL一樣，EPLsafety也支持網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，無需通過主控制單元。

4. ETHERNET Powerlink， 不僅僅是運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)

通過ETHERNET Powerlink， 我們可以看到以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中廣闊前景。EPL本身具有的實(shí)時(shí)性，安全性和兼容性使得它在除機(jī)械制造外很多的領(lǐng)域都得到了很多關(guān)注。作為全球第一個(gè)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，已經(jīng)在機(jī)械自動(dòng)化中得到大量的應(yīng)用。在過程自動(dòng)化，如電力，運(yùn)輸，鐵路等領(lǐng)域，ETHERNET Powerlink也越來越多地被應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)中去，真正成為一個(gè)通用的工業(yè)以太網(wǎng)。

作者信息：葉莘 工程碩士 畢業(yè)于德國(guó)埃爾蘭根－紐倫堡大學(xué) 1998－2003就職于SIEMENS A&D 紐倫堡總部，從事研發(fā)工作 自2003年起加入貝加萊公司，任北京辦事處經(jīng)理