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POWERLINK 功能性能
来源: | 作者:pro201107 | 发布时间: 2020-10-03 | 64 次浏览 | 分享到:

一、简介

l  POWERLINK基于标准以太网的工业实时以太网。

l  支持100Mbps/1000Mbps/10000Mbps以太网物理层。

l  最短通信周期可小于10us

l  系统的抖动小于100ns

l  支持多主站冗余,物理介质冗余,环网冗余。

l  支持大数据量传输。

l  支持周期性通信和非周期性通信。

l  支持热插拔。

l  支持通用交换机。

l  广泛应用于运动控制和过程控制,以及工厂自动化。

二、POWERLINK基本原理

POWERLINK周期由MN控制。节点之间的同步数据交换周期性发生,并以固定的时间间隔重复发生,该间隔被称为POWERLINK周期。

1 POWERLINK周期

如上图1所示,一个周期内包含以下时间阶段:

l  等时同步阶段;

l  异步阶段;

l  空闲阶段。

保持POWERLINK周期的启动时间尽可能的精确(无抖动)是很重要的。在POWERLINK周期的预设阶段内单个阶段的长度可以改变,例如某个循环周期的异步阶段可能比上一个循环周期的异步阶段时间长了一些,相应的空闲阶段就会相对缩短。但是整个循环周期的总时间长度是精确且固定的,也就是相邻两个SoC报文之间的时间间隔是固定且精准的,如图上图所示。

三、性能和功能

物理层传输

POWERLINK采用标准的以太网物理层做为物理介质,支持100Mbps/1000Mbps/10000Mbps以太网物理层。

循环周期

小于10us(基于1000Mbps以太网,高性能CPU或者FPGAVHDL解决方案)

小于100us(基于100Mbps以太网,高性能CPU或者FPGAVHDL解决方案)

大于400us(低性能CPU或者FPGA的软核解决方案)

循环周期的定义是指网络上所有的设备都通信一次,即网络上所有的设备都Preq/Pres一次,所花费的时间。循环周期的长短取决于三个因素:1.节点数、2.每个节点传输的数据量、3.传输速度。

网络抖动

抖动的定义是指实际循环周期中最大值与最小值的差。如果使用FPGA,抖动小于100纳秒。

网络容量

支持240个节点,每个节点支持1500Bytes的输入和1500Bytes的输出。

大数据量通信

 POWERLINK的每个节点的发送和接收,分别采用独立的数据帧,每个数据帧最大为1490Bytes 。一些采用集束帧的协议相比(例如EtherCAT),通信量提高数百倍。在“束帧协议”里,网络中所有节点的发送和接收共用一个数据帧,这种机制无法满足大数据量传输的场合。

在过程控制中,网络的节点数多,每个节点传输的数据量大,因而POWERLINK更适合。

网络拓扑

由于POWERLINK的物理层采用标准的以太网,因此以太网支持的所有拓扑结构他都支持。而且可以使用HUBSWITCH等标准的网络设备,这使组网非常灵活,如:

l  菊花链形

l  树形

l  星形

l  环形

l  以及任意组合

交叉通信

交叉通信是指从站间具有无需通过主站而交换数据的能力。







2 交叉通信的原理

如上图2,由于每个从节点在向外发送数据时,都是以广播的形式发送出去,因此网络上的所有节点都可以在本周期内收到。

交叉通信的好处:

l  集中或分布式控制设计

l  控制器-控制器通信

l  主轴直接给从轴设定值

l  编码器值的直接传递

l  直接事件传播

l  减少主站负载或者应用负载

l  多种模式,最小的数据负载

l  具有分散式安全设计

热插拔

热插拔意味着从正在运行的网络上拔除或插入设备;系统会自动意识到网络的变化。POWERLINK支持热插拔,而且不会影响整个网络的实时性。根据这个属性,可以实现网络的动态配置,即可以动态的增加,减少网络中的节点。

POWERLINK允许无限制的即插即用,新设备只需插入,就可立即工作。

四、冗余

POWERLINK的冗余包括三种冗余:双网冗余,环网冗余和多主冗余。

多主站冗余

由于一个POWERLINK网络有且只有一个MN,当正在工作的主站出现故障时,网络就会瘫痪,因此对于要求较高的一些场合,需要多主冗余。在一个系统中,存在多个主站,其中一个处于活动状态,其他的主站处于备用状态,当正在工作的主站,出现故障,备用主站接替其工作,继续维持网络的稳定运行,如下图3所示。


3 多主冗余的拓扑

双网冗余

双网冗余顾名思义,就是系统中有两个独立的网络,当一个网络出现故障,另一个网络依然可以工作。双网冗余是一种物理介质的冗余,又称 “线缆冗余”,对于每个节点,都有两个网络接口,或多个网络接口。

环形冗余

环形冗余是一种常用的冗余,也是一种线路的冗余,当菊花链的拓扑结构的最后一个节点再与主站相连接时,就构成了一个环。当某一根线缆出问题,这个系统依然可以继续工作,但是如果有两根线缆出现问题,就会导致某个或某些节点从网络中分离开。

冗余系统的典型拓扑结构

§   多主主站冗余 + 环网冗余

多主环网,即在一个环形网络中,存在多个主站,拓扑如下图4:


4 多主环网拓扑图

§   多主站冗余 + 双网冗余

多主双网,即在双网的架构中,存在两个或者多个冗余主站,拓扑如图5:


5 多主双网拓扑图

§   多主站冗余 + 双网冗余 +环网冗余

多主双环网即将以上多主,环网,双网相结合,拓扑如图6:


6 多主双环网拓扑图

五、实现方案

POWERLINK具有以下解决方案:

l  POWERLINK 纯软件解决方案

Ø  独立于平台的解决方案

Ø  任意操作系统:VxWorks, Linux,Windows,WinCE

Ø  任意处理器:ARM , DSP ,X86

Ø  任意的网卡

Ø  C语言实现

l  FPGA解决方案

Ø  Verilog HDL 语言实现

Ø  单芯片解决方案

Ø  高性能,低延迟

Ø  方便应用,当做通信芯片使用

Ø  支持客户自定义应用层

六、开发难度

零开发风险

无需开发工作,只需学会如何使用

极短的产品开发周期

集成POWERLINK软件只需几个小时