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以太网Powerlink背后的动力是什么
发表于04/04/2007
作者:John Mazurkiewicz, Baldor Electric
自动化设计师，建设者和集成商正在使用以太网PowerLink合并伺服/运动技术，实现更高的性能以及额外的额外优点。
伺服/运动控制在全球范围内用于要求苛刻的应用，使用伺服/运动包的现代工业自动化设备已被证明是强大的，灵活的，易于使用，同时提供了许多功能。此外，工厂中的高速通信网络正在变得司空见惯，因此现在很容易将伺服/运动集成到自动化过程中。这是通过以太网Powerlink实现的。
以太网PowerLink的成功可归因于其开放性 - 它不需要定制芯片组或ASICS - 标准芯片可以从各种供应商中购买。
以太网Powerlink协议使用了经过充分验证的标准以太网技术，增强了提供实时控制、确定性行为和提供标准网络安全性。关键以太网Powerlink属性列在图1中。
图1 - 以太网PowerLink属性
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实时控制
对于自动化和运动应用，实时控制是必需的，以处理机器的动态速度，复杂的控制回路，以及安全协议。实时控制，或系统对事件(如操作员HMI输入或按钮、传感器激活和故障或报警条件)的反应速度必须是一致和快速的。动态响应和提高精度是高性能应用的要求，如机床、包装和印刷。在这些应用中，运动的协调可以在一个多轴运动控制器和几个伺服驱动器之间共享。影响性能的一个因素是每个驱动器中的控制回路同步的精度。
同步循环必须同步一致，因为控制系统工作在循环更新的原则，和在这个时间的变化有有害的影响，如引入速度变化和涟漪，影响机器的操作和最终产品质量。这种时间的变化被表示为“抖动”，以太网Powerlink实现小于1 μs的循环抖动，这使得它优于许多其他的实时机器运动控制方法。所有驱动器将它们的控制回路同步到这个循环时间引用。
另外要优化运动控制的循环时间，实时通信系统允许传输每个周期的重要信号，例如命令和反馈和机器I / O，而其他较少的关键设备可以在许多周期上更新（称为多路复用）。这允许优化的定时，提供更短，更快的通信循环时间和更高的带宽。以太网PowerLink将循环更新率降至200μs以进行快速系统响应。这在现代自动化应用中具有出色的反应时间。
确定的
另一个重要属性是决定论——在通信术语中，这意味着消息必须在特定的可预测时间内到达目的地。或者换句话说，时间关键的数据传输必须在非常短和精确的可配置周期内得到保证(时间不那么关键的数据可以在保留的异步时隙中传输)。在保证的时间到达目的地的消息对于运动控制和一些机器I/O设备至关重要。
虽然广泛使用，“标准”以太网由于数据冲突，消息查询和由系统中绑定的路由器引入的特征等特征而不是确定性的。以太网PowerLink完成确定性并通过协调设备之间的信息交换来避免数据冲突。它管理对分配的时隙内的网络的访问，因此通过设计可防止冲突并确保准确地和按时交换数据。
在应用层，ETHERNET Powerlink也与广泛使用的众所周知的CANopen设备配置文件相结合。之所以采用这种方法，是因为CANopen功能定义良好，并且得到了许多供应商的支持。工厂车间的以太网可能在一个公共网络上集成运动控制和现场设备控制，为了实现这一点，必须提供来自多个供应商的广泛的现场设备。因此，Powerlink小组与CAN in Automation (CiA)小组密切合作，采用了CANopen应用层和设备配置文件(例如DS402，它描述了定位驱动器的操作行为)。CANopen设备的可用性为许多制造商提供了各种其他灵活和可靠的解决方案。
安全
以太网Powerlink的一个主要优点是它为网络上的所有设备提供可见性。可以将数据传输到标准应用程序，如数据库和过程控制系统。这允许从任何可访问的网络点监视、配置、诊断或升级任何设备。
通过is基础设施路由设备是可能的。然而，从任何网络访问，如果被黑客利用，可能是一个弱点。为了克服这一点，以太网Powerlink操作作为一个受保护的段。它将通过网关/路由器设备连接到一个不确定的以太网网络，网关/路由器设备作为防御屏障，抵御MAC(媒体访问控制器)地址过滤和内置防火墙等功能的攻击。以太网Powerlink有明显的障碍，只有拥有专用权限的用户才能访问实时域。因此，实时特性将保持稳定，不受网络负荷的影响。
对于安全和标准目的，为确保以太网PowerLink适合自动化网络拓扑的需求，它旨在遵守众多国际和安全标准，如IEEE，IEC和其他标准。这些是图2中的轮廓。
图2 -以太网Powerlink支持的标准 |
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| IEEE 802.3. | 快速以太网 |
| IEEE 1588. | 分布式实时域同步 |
| ISO 15745-4 | 基于XML的设备描述语言 |
| IEC 61784 - 2 | 数字数据通信 |
| IEC 8802 - 3 | |
| CANOpen EN50325-4 | 标准设备配置文件 |
| IEC 61508 | 安全诚信标准 |
应用程序的好处
今天，许多工厂正在更新它们的控制系统，并采用以太网Powerlink网络。通信是操作人员人机界面终端与控制器以及控制工厂设备的各种设备之间的通信。以太网触摸屏成为操作人员监控系统的主要界面。控制器被编程和协调一起工作，以确保过程是供应适当的需求和所有设备一起工作。反应在几分之一秒内发生，以太网Powerlink系统确保所有通信快速进行。除了提高工厂效率外，以太网Powerlink还增强了系统，其效益如图3所示。
图3 -以太网Powerlink的效益
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在实现以太网PowerLink以及运动控制到机器中，设计人员正在学习它们正在完成从减少的布线和使用单个运动控制器的能力的主要硬件节省。也实现了无法估量的成本节约，因为建筑时间更快，调试更简单。据估计，通过减少以太网PowerLink的接线可以节省硬件，每轴高达130美元。工厂/机器成本降低。
在工厂车间，机器响应得到了改善，产量也增加了。通过将集中控制器的协调任务分解为驱动器中较小、快速的分散任务，降低了网络和CPU负载，从而提高了控制器的性能。易于使用，本地化驱动器中可用的高级编程语言减少了可能威胁软件项目的内容，使其成为一个可预测的任务。此外，伺服电机提供增加的加速度，增加的速度，并正在取代气动和液压。机器内部轴的数量现在由允许的最大节点数和网络带宽决定(参见图4进行比较)。
图-现场总线布线 |
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| 公共汽车 | 拓扑 | 物理介质 | 马克斯节点 |
最大的距离 |
| DeviceNet. | 线,输气干线和支线 | 基于CAN的双绞线 | 64 | 500米 @125 kbps |
| modbus. | 线,明星,树 | 双绞线，RS232和RS485 | 247 | 开关间距100米 |
| 现场总线 | 线,明星,戒指 | 双绞线或光纤 | 127 | 100米@ 12Mbps(12公里带光纤) |
| 以太网PowerLink. | 线,明星,树 | 屏蔽CAT5e电缆& RJ45连接器 | 240 | 100米每连接@100 Mbps |
以太网Powerlink有许多属性，包括免费许可证;实时控制机器的动态速度;通过其应用协议确定;并作为受保护的段进行安全操作。Powerlink增强了性能，同时提供了许多系统改进。