POWERLINK实时以太网技术

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1、实时以太网技术及其应用 -Ethernet POWERLINK一、IT技术对于自动化领域的影响 -Ethernet技术的大量使用1. 为什么选择以太网？1. 由于在管理层的 ERP/MRP/CIMS/MES 均采用了 Ethernet 技术，因此，对于 Ethernet 有了广泛的需求；2. Ethernet 技术继承了 IT 业的开放性设计以及更为便宜的成本；3. 开放的工具例如诊断工具 Wireshark 和标准的市面上多个厂家提供的芯片可供使用；4. Ethernet 不仅仅是一个总线， 它一直在进步， 从 10Mbps,100Mbps, 它一直领先于工业网络的速度和技术；2. 实时性需

2、求在不断增加但是 CSMA/CD 机制的确会防止冲突在网络上的发生，却造成了数据发送的不确定性以及延迟的产生，这 对于更为苛刻的实时性要求的机器控制而言则无法满足。所谓确定性的通信过程是指它具有一个精确的可预测的定时，也就是什么时候数据报文到达接收者，生成 响应数据和需要多长时间来传送该数据报文，都是可预测和确定的。它应用等时间同步原理，等时同步是 一种数据传送方法，即在每一个精确的总线时钟周期内，确保传送实时数据。3. 实时性应用等级3.1 回路调节对于回路调节及输送系统、数据采集系统等，其 PID 回路调节，四大参量如温度、压力、液位、流量而言， 由于其所具有的延迟性，通常周期均在mS级,

3、10mS,50mS,100mS 甚至到S 一级，以太网技术可以满足其 刷新的需求。3.2 机器人与 CNC 系统机器人与 CNC 系统正在蓬勃发展，在机械工业的行业划分中， CNC 和机床是最大的一块，整个 CNC 和 机器人的架构设计中，由主控 PC 和 PLC 运行的插补算法将通过高速总线传递给各个执行机构，在每个 CNC 和机器人的插补周期里，该插补值都需要通过总线给定到伺服系统，而伺服系统的电流环、速度环将 在本地执行，为了满足更高速度和更高精度的加工要求， S=Vt, 当位置与速度都要求极高的时候，只能是在 刷新周期上不断缩小，而这对实时控制提出了要求，目前在速度控制方面，如果将速度

4、也反馈给主控，则 这个刷新的速度需要更快，甚至达到几十个微秒的周期，这也是为什么传统的CNC 和机器人系统采用专用系统的原因 -因为，目前国内的 CNC 和机器人达到的均在 5mS 这个水平，而新一代的更高速度则要到 uS 级的刷新，例如 Fanuc,Kuka,ABB 的机器人系统刷新均在 uS 级，因此其传统都使用光纤专用总线来实 现数据交换。3.3 高动态同步过程 ,多轴同步比较典型的应用是凹版印刷机的无轴传动系统， 在整个印刷过程中， 对于印刷精度达到了 +/-0.1mm 甚至更 高的要求， 而印刷速度达到了 300m/Min 的要求，为了保证这个印刷精度， 减速比为 1:9 ，版辊直径

5、为 0.3m，每一圈为1m的印刷速度，每秒钟 5米的印刷速度，采用 Endat E0 50万线高精度编码器，则需要达到的 位置环处理约在4mS，而通信的速度需要保证为位置环速度高一个数量级，400uS或800uS的刷新。除了电气系统的同步，像高精度的液压同步，也同样对于实时性有较高的要求例如4个液压缸的位置环同步计算，为了保证多个液压缸定位精度达到1um的锻压而言，其所需的 CPU处理速度必须在uS级，而多个液压缸之间的同步通信速度则必须更高，在几十个微秒这个级别上。二、Ethernet POWERLINK 技术1. 时间槽管理机制（Time Slot management ）也称时隙管理Et

6、hernet POWERLINK使用一个等时同步的时间槽以分配发送数据的授权，这可避免数据在网络上发生冲突。在网络上，只能指定一个站作为管理站（如需要，可配置冗余的管理站），它为所有在网络上的其他站（控制站）建立一个配置表和分配时间槽，只有管理站能接收和发送数据，其他站只 是在管理站的授权下才能发送数据。管理站通过PollRequest帧循环地按配置表访问各控制站。控制站是被动的总线节点，PollRequest帧只能由对应地址的被控站所接收，然后该控制站以PollResponse 帧响应并作为广播报文发送。该报文允许网络上所有其他的站监控接收，这种关系称为岀版者/订阅者的通信关系。MAC（介质

7、 访问控 制），Ethernet POWER LINK 站的以太网地址，其首5个字节是常数，即00-60-65-00-49，第6个字节是站号，正确的站地址必须在网络设备上设定，其中管理站的地址必须是0，控制站的地址为1到253。254和255保留作为网络上的配置和服务之用。2. POWERLINK 数据交换过程Ethernet POWERLINK 分为 MN 和 CN （Controlled Node），等时同步 CN 和非等时同步 CN 每个等时同步节点在 POWERLINK周期里接受来自MN的Preq，并返回Pres,这用于传输等时同步数据， 如PDO数据，而异步阶段可传输SDO信息。PR

8、eq仅被特殊寻址的CN接受，而CN发送的Pres则可以被多播方式返回给 MN，并其它CN也可 以获得数据以便监视数据。SoC-Start of Cycle 发送Preq CN1给CN1，CN1恢复Pres给MN，然后就回答，然后轮询的方式 对不同节点进行刷新，当所有同步节点被刷新完成后，会有一个SoA标识异步数据传输的开始，通常诊断与服务信息通过该阶段被传输，异步节点返回 Asnd在每个等时同步阶段的开始，MN通过非常精确的时钟同步来对表所有节点，以确保每个节点的表都 是准时的。这里的 Soc帧是定时产生的，其它帧都是依赖事件控制的。PReq为单播帧，只由配置的活动节点来获得。它发送一个 Po

9、llResponse 帧给管理站并进行排队，管理站检查异步发送授权的配置表，并按优先级的高 低从所有排队的控制站中进行选择（包括它本身），然后发送一个Invite Frame （邀请帧）给该站，该站就可以发送异步报文，这是个点对点的报文。3. Ethernet POWERLINK网络结构事实上，Ethernet POWERLINK就是使用了 Ethernet标准网络的物理层和数据链路层，而应用层则 使用了 CANopen的SDO和PDO，但是它仍然支持 UDP,TCP和HTTP,FTP，这就像是开了一个旁路作为 专设通道来进行时槽管理。CANopen是当前最受欢迎的基于应用层的CAN网络协议。

10、它主要的好处是它的简单性和灵活性。大量可用的CANopen设备，接口和应用轮廓都是这个协议多样性的继承。然而，越来越大的网络和在复杂 应用中数据负载的增加限制了 CANopen的应用范围。但是，CANopen具有良好而广泛的应用，它的NMT网络管理，PDO和SDO方式非常成熟，也从考虑原有的投资安全的角度考虑，可以用于应用层的数据，而运行在不同的操作系统平台上，由于任务调 度机制的不同，也会造成 CANopen能够实现的实时性的差异。4. POWERLINK 接头普通RJ45双绞线也是可以用的， 但是，建议采用较为完整屏蔽和机械加固设计的EPL电缆接头，这样可以保证机械连接的可靠性，而M12的

11、接头则使用于具有恶劣的环境，满足IP67等级的应用。Harting可以提供具有高度机械加固的电缆接头，非常可靠。5. POWERLINK 性能5.1可实现最大480个同步轴，这个数字是因为，POWERLINK 每个网支持最大 240个节点，而 B&RACOPOSmulti伺服驱动器则支持逆变单元双轴模块，因此可以控制 240个伺服轴。521/0可达46万个：就是因为在每 B&R个X20 I/O站上可以挂接3000个I/O点,EPL节点按照2000*240 个节点=46万个。6. 拓扑结构Ethernet POWER LINK 拓扑比较灵活，你无所谓什么方式连接，可以支持环形、双环、线性、星形、

12、菊花 链等方式的链接，这取决于它是一种标准以太网的介质特性，而对于其它的例如采用集束帧方式的如EtherCAT则无法支持到所有的拓扑-这是由它的数据传输机制所限制的7. 直接交叉通信交叉通信是决定应用性能的一个基本要素，它决定了一个机器内主站和从站驱动器的通信方式。交叉通信 在使用很多控制器的分布式网络中尤为有效，例如：过程自动化或机器制造系统。中央和非中央控制设计（集中或分布式控制设计）控制器-控制器通信主轴直接给从轴设定值编码器值的直接传递直接事件传播减少主站负载或者应用负载多种模式，最小的数据负载具有分散式安全设计能力其他系统不能给用户这些优点，因为他们不支持直接交叉通信，即使这本来就是

13、标准以太网基本属性构成。这非常重要，在机械制造业的多轴系统同步的时候尤其重要，因为为了给不同的伺服轴之间建立数学模型关系，或者主从，跟随关系，需要其两个轴之间也建立一个同步关系.在实现电子齿轮比关系的时候，我们可以由主轴直接给岀从轴的设定值，然后通过直接交叉通信方式来传递给从轴。这种应用对于同步控制来 说非常关键，电子凸轮关系 CAM，或者色标检测与张力控制。而采用集束帧传输的网络如 EtherCAT则无法支持交叉通信，这使得从站间的数据交换无法通过这一方式 实现，因此，其效率将得到下降。8. PRC技术Poll Response Chaining-轮询响应链方式-这是POWER LINK提供

14、的一个更为快速高效的数据传输方式Ethernet POWERLINK 的时间槽管理机制使得每个 Preq和Pres的过程都要反复的进行， 这样的握手过程 将使得数据交换的效率下降，而通过预设的 POWERLINK节点序列方式，在一个 PReq后，各CN节点按50%，对于整个网络照预先顺序在精确时间控制下发送数据，无需反复握手过程，这样显然将效率提高了 过程也至少提升30%的效率，这一技术在 2010年投入使用。9. 异步数据传输Ethernet POWER LINK 是可以运行TCP/IP作为普通的以太网来使用的。一个SoA是指Start of Asynchronous,SoA 实际上是一种节

15、点与主节点的单点运行，它是采用复用的方式 来进行传输的，异步数据的就像通常的TCP/IP数据交换一样，通过向主节点申请发送请求然后在排队发送，也可以事件触发方式来要求数据发送，系统可以按照队列排队进行发送。对于服务诊断、数据下载、热插拔这些数据均在异步传输阶段进行，异步阶段的数据传输主要是通过登记 的方式由系统分配优先级进行。10. POWERLINK 冗余冗余模式是按照如下设计的：两个或更多的冗余管理节点（RMN ）在网络层次的顶端，只有一个作为主动管理节点AMN，其它保持Stand-by（SMN）状态并扮演一个受控节点。SMN和CN的唯一不同在于 SMN持续的监控所有网络及 CN功能，在紧

16、急情况下，这能使得 SMN具有AMB功能作为网络内的一个 RMN， 每个RMN必须能够配置所有网络设备，其它 RMN也不例外。这个冗余模式允许一个大范围的拓扑方式。RMN可以通过HUB访问一个简单的网络层，一个可行的设计是将RMN和CN放在一个环形内，封闭了网络结构内，第三个是冗余数据线，能够保护总线不仅在MN失效，而且在总线电缆失效和故障的情况下运行。网络管理状态通过针对网络状态的改变，以能够使得系统集成多个冗余管理站，由于POWERLINK 最初只允许对一个MN进行操作，网络管理站NMT是一个基于CAN Open的监测及控制服务。 每个网络设备有一个 NMT状 态机器，这可以提供从 MN的

17、NMT主站获得请求及操作状态信息，定义了四个状态分别是，初始化，预操作，可操作和停止，在初始化阶段，不允许设备启动并且激活网络，在预操作阶段，设备对网络参数进 行同步，但是还不能开始传输数据，可操作表示单元完全可操作的，停止意味着设备从网络断开，只接受 一个NMT指令，为了冗余操作，MN可以在任何时候承担控制功能，编程者增加一个第五状态 （Stand By）给NMT状态机器，在预操作阶段，RMN检查总线状态，如果没有相关的信号被侦测到，它就切换到激活模式，并且扮演一个 AMN功能，如果RMN检测到网络活动，它就会在操作模式切换到等待模式，但是将 会以一个标准CN进入系统。11. POWERLI

18、NK Safety 技术POWERLINK安全将数据格式分为两个相同的容量，并通过不同运算得到的校验码来保证数据的完整性。 在读取时，首先使用校验码来检验桢是否完整。接着，和子帧的实际数据比较。此外，该协议将信号运行 时间和处理时间加在一起，因为基于总线系统的速度通常不能和由专用连接组成的系统相比。单独接线的 系统里的闭合电路也是如此，急停断连设备通过面向安全的总线不断地向安全继电器发送数据，来确保一 个完整的连接。由于 POWERLINK 极短的循环时间( 100mS )，因此失败可以毫无延时的被检测到。 因为所有数据通信的不规则形都可以被认识到，所以即使是不安全的网络也不会危及到安全性功能

19、。另一 方面，小的正常的波动不能引起警告。 POWERLINK 在安全措施触发前，将忍受不超过 100mS 的数据包 传输延迟。一个 POWERLINK 安全网络可以包含最多 1023 个安全域，每个域最多 1023 个节点。 安全域可以跨越不同的网络，也可以将这些安全节点综合到一个域。不同的安全域通过网关通信。 POWERLINK 安全性允许用户创建分等级隔离，来再一个网络中建立不同的安全区。 因此， 例如服务工程 师在一个区，而设备在另一个区，也能没有障碍的进行工作。在每一个域里，安全配置管理员 (SCM) 不断 监控所有安全节点。 SCM 负责永久存储那些不能被安全节点自己保存详细参数。

20、 他们的任务还包括指派和 确认给与所有节点唯一标识的地址。另外， SCM 还广播救生信号，这用于确保每一个节点的配置按预期的工作。安全节点以接受到救生信号， 就保持操作( operational )状态。如果他们不能接收到这个信号，他们会转换到 pre-operational 状态。这 个信号的周期性广播，因此可以使那些没有 SCM 管理的节点失去活性。 POWERLINK 安全域既支持广播 式的 Producer/Consumer 通信， 也支持 Server/Client 通信。 POWERLINK 安全网络里， Producer 也作为 SCM 。另一方面， Server/Client

21、也用于配置和网络管理。 SCM 作为 Server ，提示设备 (Clients) 进行应答。三、POWERLINK 技术应用3.1Ethernet POWERLINK 在高动态同步运动控制领域应用印刷套色与电子齿轮同步 对于高动态同步控制而言，多个运动轴之间紧密的同步关系需要高速的总线提供各个轴的实时位置、速度 等，由分布的运动单元自行计算其自身的位置环、速度环控制，例如在印刷机械的套色中，色标检测到偏差(？I1, ?I2,?I3,?I4,?I5)后直接送至当地的处理单元进行滤波、线性化、编码处理通过Ethernet POWERLINK的实时通信发送至 CPU 的套色算法处理单元， 该单元通

22、过耦合和解耦运算再将每个伺服需要调整的相位角 ?91, ?92, ?93, ?94, ? 95发送给每个伺服轴，伺服轴自身计算并作速度和位置环计算来控制电机的执行， 这个过程中， Ethernet POWERLINK 提供了数据采集和指令下达的高速数据传输，使得各个伺服印刷单元 之间的套色同步性得到保障。RL+?I5L+?I1L+?I2L+?I3ff133n3ETHERNETPOWERLINK士I通常，对于速度在300m/min的印刷系统而言，保持高于 +/-0.1mm的印刷精度，其套色任务处理的周 期在mS级，而为了保证这工艺计算的执行，则通信周期必须达到uS级-即高一个数量级的方式传递才能

23、确保控制任务的实时性处理。除了包含套色工艺的计算下，对于印刷机还要保持各个伺服轴之间的精确电子齿轮同步关系，岀现偏 差就是在为伺服单元提供一个微小的相位调整，而实际上它是通过一个设定的目标值通过速度的调整来实 现的，当没有偏差时，各个伺服轴之间也要严格遵循所设定的位置关系例如电子齿轮同步，均需要通过Ethernet POWER LINK 来传递数据。Ethernet POWERLINK 技术在印刷领域里包括凹版无轴传动、瓦楞纸开槽印刷、圆压圆模切、宽幅柔版、窄幅柔版、卫星式柔版、报纸印刷等大型印刷系统里得到了广泛的应用。相对而言，在各个领域的同 步控制里，印刷机对于通信的实时性要求较为苛刻。3

24、.2Ethernet POWERLINK在塑料机械领域的应用在这个系统里，通过高速的实时以太网Ethernet POWER LINK ，系统的开合模、射胶、熔胶、坐进退实现了整个注塑过程的高速精度定位与同步，除了运动控制的定位控制本身需要高速的通信，另外，射胶、保压等需要高精度的闭环控制，对于高速的全电动注塑机而言，其闭环控制任务周期通常在12mS,那么为了保证射胶和保压的闭环精度，则通信的周期也必须达到uS级才可以。同样道理在全电动吹瓶机中，除了各个伺服轴的控制，壁厚控制的闭环算法也需要高速的通信来提供 保证，以确保产品的高品质。在流延膜生产线、高速分切机以及化纤纺丝等对实时性要求较高的机器

25、上，POWERLINK均有上佳发挥。3.3Ethernet POWERLINK在纺织机械里的应用细纱超长车，对于传统的细纱机而言，其锭子数通常在500个，而考虑生产效率与质量等因素，1500锭的细纱超长车系统也被开发了岀来。在这个系统中前、中、后罗拉的长度较长，为了解决罗拉在旋转过程中的机械扭曲，系统采用了在罗 拉两端的伺服驱动，即系统由三组，每组3个轴的系统构成，这样两端的伺服系统必须保持高速的同步，否则就会造成纱线成型质量的偏差，它们与主轴构成跟随的电子齿轮同步，而罗拉与钢领板之间构成电子 凸轮曲线关系也需要 Ethernet POWERLINK 提供更高的凸轮关系的同步数据，这些复杂的运

26、动关系必须依 赖于Ethernet POWERLINK 的数据通信才能实现罗拉两端同步、罗拉与钢领板的电子凸轮纱线成型算法、 以及与主轴的同步跟随关系，另外，在系统突然掉电的情况下，Ethernet POWERLINK 还要保证各个轴之间的同步停车。其它如在高速特里科经编机的EBC （电子送经）和 ELS （电子横移）控制中，尤其是在ELS中，针床的梳栉之间的距离只有 mm级，而要在微小的空间里移动，并且编织岀花形变化非常大的织物，各个直线电 机的极高动态响应是其它总线无法实现的，其它如浆纱机的多单元同步、碳纤维高速卷绕头、多轴向经编机等等都有POWERLINK的应用。3.4风力发电机组中的安

27、全保护系统大风保护安全系统机组设计有切入风速 Vg,停机风速Vt, 一般取10分钟25m/s的风速为停机风速;由于此时风的能量很大，系统必须采取保护措施，在停机前对失速型风机，风轮叶片自动降低风能的捕获，风力 发电机组组的功率输岀仍然保持在额定功率左右，而对于变浆距风机必须调节叶变距角，实现功率输岀的调节,限制最大功率的输岀，保证发电机运行安全.当大风停机时，机组必须按照安全程序停机.停机后,风力发电 机组组必须90 对风控制.参数越限保护 风力发电机组组运行中，有许多参数需要监控，不同机组运行的现场，规定越限参数值不 同，温度参数由计算机采样值和实际工况计算确定上下限控制，压力参数的极限，采

28、用压力继电器，根据工况要求, 确定和调整越限设定值 , 继电器输入触点开关信号给计算机系统 ,控制系统自动辨别处理 . 电压和电流参数 由电量传感器转换送入计算机控制系统 ,根据工况要求和安全技术要求确定越限电流电压控制的参数.3.4.3 电压保护指对电气装置元件遭到的瞬间高压冲击所进行的保护,通常对控制系统交流电源进行隔离稳压保护 , 同时装置加高压瞬态吸收元件 , 提高控制系统的耐高压能力 .3.4.4 电流保护控制系统所有的电器电路 （除安全链外 ）都必须加过流保护器 ,如保险丝、空气开关 .3.4.5 振动保护 机组设有三级振动频率保护 ,振动球开关、 振动频率上限 1 、振动频率极限

29、 2,当开关动作时 , 系统将分级进行处理 .3.4.6 开机保护 设计机组开机正常顺序控制 ,对于定桨距失速异步风力发电机组采取软切控制限制并网时 对电网的电冲击 ;对于同步风力发电机 , 采取同步、同相、同压并网控制 , 限制并网时的电流冲击 .3.4.7 关机保护 风力发电机组组在小风、大风及故障时需要安全停机 ,停机的顺序应先空气气动制动 ,然后 , 软切除脱网停机 .软脱网的顺序控制与软并网的控制基本一致 .3.4.8 紧急停机安全链保护 紧急停机是机组安全保护的有效屏障 ,当振动开关动作、 转速超转速、 电网中断、 机组部件突然损坏或火灾时 ,风力发电机组组紧急停机 , 系统的安全链动作 ,将有效的保护系统各环节工况安 全, 控制系统在 3 秒钟左右 , 将机组平稳停止 .