POWERLINK技術組織、通信行規規范與技術應用

／機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所 李玉敏／

1 POWERLINK國際技術組織（EPSG）

以太網POWERLINK標準化組織（EPSG）在2003年成立于瑞士，是為了POWERLINK技術的標準化、市場推廣和進一步發展，最初出現在公眾業界面前是2001年。其是獨立于制造商和完全基于軟件的實時通信系統，自2008年以來，是一種免費開放源代碼的解決方案。EPSG設在德國柏林的POWERLINK辦公室負責處理公共關系，協調共享項目實施，對現有和潛在成員提供技術和市場等信息。 POWERLINK國際技術組織結構如圖1所示。

POWERLINK組織成員收益：

1） 貿易展覽會—— 紐倫堡、漢諾威、帕爾馬、巴黎、上海等，可以利用這種遍布世界各地的機會，在EPSG的展位中展示產品；

2）路演——參加路演，可以在新產業中建立有價值的商業聯系；

3） 網站——在EPSG的網站上，可以用耀眼的技術展示公司和產品，吸引潛在客戶；

4）刊物——為EPSG刊物提供有趣和有價值的內容；

5）技術報告/新聞稿——可以通過超過100種商業雜志促銷公司的產品，帶來巨大的商業收益；

6） 通訊——EPSG通訊可以作為一種在線平臺，告知全球的POWERLINK社區有關創新的信息；

7）標準化和認證——使用指定的工具，能有效地準備產品認證，這是一種優勢，測試其是否符合POWERLINK連接的相關規范。由EPSG提供的認證可確保市場的統一標準。第一組認證產品的公司將免費成為EPSG成員。

圖1 POWERLINK國際技術組織結構

2 POWERLINK中國組織結構

POWERLINK中國用戶組織的組織架構為理事會結構，由成員大會、理事會、秘書長與各工作組構成，所有成員為該組織的最高權力機構，理事會向成員大會負責，理事會成員由理事長和副理事長構成，秘書長由理事長任命并領導日常各工作組的工作開展，向理事會負責，如圖2所示。

圖2 POWERLINK中國組織架構

POWERLINK會員來自國內商業企業、教育及研究機構、硬件與軟件支持與服務企業；自然人和個人組織；國外的廠商（若原本為EPSG的成員，則無需另行加入中國用戶組織）。

申請加入POWERLINK會員的手續：填寫成員申請表，傳真至POWERLINK中國用戶組織，經理事會審核通過。

3 POWERLINK技術

“POWERLINK是在以太網基礎上的CANopen”，——這樣的描述似乎有點簡單，但它抓住了這一通信系統為用戶提供了不同協議打包的要點，卻沒有體現POWERLINK的實時能力。因而，正確的關于POWERLINK優勢的評價需要了解一些CANopen和以太網技術的基礎知識，可以從以太網協議自身的特性深入，了解POWERLINK。

POWERLINK基于以太網技術的靈活性和特征優勢，保留了以太網標準，為用戶提供了更多的靈活性和特有的收益，POWERLINK = CANopen + Ethernet。如：以太網協議的基本運行及功能；OSI，即一個描述傳輸層協議的標準化數據通信模型；遵循OSI模型的以太網； 以太網基礎，幀、通信和標準化； 用戶收益來自POWERLINK兼容標準。

以太網協議描述了一個通過設置標準的數據傳輸協議，例如，大小、結構、地址和數據包，像很多現場總線一樣，以太網只是定義了開放系統互聯參考模型（OSI）的兩個最低層，因此它可以用于對不同協議進行數據的傳輸，依次定義了更高層，如圖3所示。

3.1 基于放系統互聯參考模型（OSI）的以太網

OSI是一個用于開放信息處理系統標準化的通信模型，它是當今許多通用數據傳輸協議的參考模型。這個模型將數據傳輸的任務分為7層，每個層都建立在下面的基礎之上，作為一個例子，每層都可執行在其協議上定義的任務。

第一層是物理層，或者說是比特傳輸層，定義了傳輸介質的電氣、機械和功能接口，上面的數據鏈路層通過偏差發現機制確保了終端設備和傳輸介質正確的數據地址和可用的連接。為了簡化的原因，這兩層在聯網技術中稱為“物理層”，上面是第三和第四層，第三層“網絡層”，控制數據傳輸的時鐘和邏輯，第四層“傳輸層”，單元數據分配到應用層，第五層、第六層和第七層稱為應用層。正如前述，以太網只是覆蓋了物理和數據鏈路層，之后，這使得不同的協議和訪問不同的層，POWERLINK和CANopen，POWERLINK是物理層，定義了最低層，CANopen是應用層，定義了最高層。

圖3 POWERLINK與OSI模型的工作原理圖

3.2 以太網幀

簡單的說，以太網幀（每個數據包的協議類型）由五個域構成：源和目標MAC地址，以太網類型域包含了一些控制信息，一個有效載荷（數據）域，及一個差錯校驗幀。一個標準數據幀最大長度為1518位，包含至少46到1500位的有效載荷域。

3.3 MAC編址

由于以太網的運行很像廣播，因此它廣播的數據可以為每個網絡節點所接收，幀內需要一個源和一個目標地址以便可以定義發送和接收節點，這就是MAC編址，每個設備在網絡上分配到一個唯一的地址，這是通過上層的軟件服務來實現的，由于中繼器和集線器僅僅傳輸數據，它們并不需要自己的地址，橋和交換機通常用于把網絡分為不同的域，也不需要MAC地址，因此，它們不是主動通信。所謂的管理型交換機是一個例外，這時交換機需要地址，因為它要提供直接的訪問和監控服務，在橋執行樹形協議傳輸時，需要MAC地址，它將數據通過最短可能連接進行路由，在一個復雜的網絡里，這個協議阻止了在同一個目標里的幀復制和并發的到達，它也可以在數據失效時使用一個冗余網絡路徑。

3.4 CSMA/CD

CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/沖突檢測）機制是依照IEEE802.3的標準以太網的關鍵組件，這個介質訪問協議通過提供載波偵聽和沖突檢測的方式使得幾個站點可以訪問同一個傳輸介質，然而，這一特性不可避免地耽擱了數據的傳輸，不幸的是，其他的方法為了避免碰撞，例如采用交換機，也導致了非確定性的網絡延時。

3.5 POWERLINK和以太網標準

以上特性（以太網幀結構、編址系統和CSMA/CD機制）是標準以太網的內核，因此，它們也是遵循標準以太網POWERLINK協議的構成部分，遵循這個標準對于消費者意味著什么呢？

標準化兼容，一些工業組織介紹了把實時性增加到以太網協議的新技術，為了加速它們的系統，它們選擇了偏離標準協議的物理層介質和訪問機制，或者必須用特殊的硬件來傳輸以太網幀，或者以太網幀不遵循標準。對于這些系統，終端消費者通常依靠所有權（由特定廠商持有專利權）的硬件如ASIC，由特定的廠商提供。然而，如果以太網是一種開放性的工業標準，用戶需要的是開放的、無私有產權的實時應用。為了采用純以太網技術，用戶將不可避免需要一個解決方案，例如POWERLINK，它使用純粹的標準以太網幀，以達到：一個可確保滿足苛刻時間要求的數據在一個極短、同步循環周期內傳輸，并且可配置的響應時間； 在微妙級的多個網絡節點的數據高精度同步； 對非嚴格時間要求的數據在一個非同步通道內傳遞。

POWERLINK的開發者通過輪詢及時間槽機制擴展以太網協議棧，沒有針對IEEE802.3進行修改，因此，制造商和用戶可以依賴標準的以太網硬件，它們可以繼續保留標準芯片的應用，設備和下部構造的組件，以及標準測試和檢測系統，所有高層協議，基于IP的協議，如TCP、UDP及其他上層協議也可以無需修改仍可使用。

4 POWERLINK遵循的標準

1） IEEE 802.3快速以太網。

2）基于IP協議（TCP、UDP等）EN50325-4。

3）標準設備描述文件：CANopen EN 50325-4。

4）標準以太網芯片：無ASIC芯片。

5）IEEE 1588實時同步。

5 POWERLINK關鍵特性

POWERLINK用于工業領域的主要特征表現在POWERLINK融合了以太網和CANopen的特性。結合以太網、CANopen和一些新開發的應用于實時數據通信協議棧，POWERLINK集成了三個不同領域的特性和能力。第一個優勢是POWERLINK保留了與標準以太網最近的距離，保留了原始的以太網特性，并且降低了工業以太網的開發成本；第二個優勢在于集成了CANopen技術，一個魯棒性非常好并且在自動化領域被大量采用的協議，簡化了網絡的部署和擴展。第三個優勢是POWERLINK的成功在于它是由EPSG開發的，POWERLINK協議棧強化了實時能力，引領PLC和組件制造商團隊組織共同來實現這個技術項目，結果是增加了大量的附加值，擴展了成功的范圍，例如，面向安全技術的POWERLINK Safety技術，高可靠性和管理節點冗余技術等。

6 POWERLINK技術應用

6.1 更快的總線，更快的汽車

過去的20年里，CAN總線協議業已成為汽車工業的核心通信技術，這是一個具有高可靠性和魯棒性的協議，但它最大傳輸波特率只有 1Mbit／s，對于今天的應用而言顯然太慢了。因為這一限制，很多重要的信息仍需通過機械方案來傳遞，不僅昂貴并且缺乏智能。為了能夠用一種合適的方法來改善這一成熟技術，人們在眾所周知的實時以太網技術上投入了很多時間和實驗，目的在于尋找一種更為適用于學生方程式賽車的協議，結果就在確定了POWERLINK一個主從的通信方案，實現了在汽車內部實時處理各個獨立的從站間的信息交換。

（1）學生方程式（Formula Student）

學生方程式是一場由學生設計和生產的單座賽車比賽，已經有超過 10 年的歷史了，該競賽每年在全球舉行，學生相互競爭，不僅在賽車道上，也在相關設計和市場上，并由一個專家組進行評估。不同團隊競爭于不同的產品類。在這種方式中，嚴重的設計缺陷必須在生產之前由基礎的概念設計發現。最初，主要集中在機械上。今天，為了在競爭中取得領先地位，電氣扮演著更為重要的角色。

（2）丹麥南方大學的學生方程式

在丹麥南方大學，Formula Student 項目始建立于 2006 年。現在，這個團隊由機械和電氣學生組成。機械工程師的工作在于構建一個架構，包括汽車的操控和懸掛系統，而電氣工程師則聚焦在電氣單元。總的思路是創造一個分布式架構，使其能在汽車內部廣泛使用，極端的應用是使用獨立的節點控制每個氣缸，協調各個減速箱在各個節點需要一個高速響應的網絡。見圖4。

圖4 POWERLINK 在賽車汽車電子網絡中的新理念

傳統且具有良好驗證的 CAN 總線是汽車工業的一個標準。現代技術對于波特率和同步性的需求導致了對以太網技術實時協議的研發，POWERLINK 建立了適應于汽車的分布式網絡，主要的優勢在于使用了傳統以太網的物理層芯片，這使得它無需使用特殊的硬件。它允許以太網技術更新升級獲得應用。

POWERLINK 還提供了更為靈活的應用拆分，使應用可以拆分成任意數量的節點，同時仍然能夠保持實時數據交換，對象字典提供了各個節點之間的數據交換接口，這也定義了 POWERLINK 標準。

同樣，POWERLINK 節點的規模也是一個關鍵參數，因為節點需要適應汽車的各個部分，這對于保持最少接線至關重要。

（3）方案如何實現

學生們在一年里開發了減速箱、離合器、發動機控制單元、儀表盤和數據記錄器，并且通過 POWERLINK 來連接這幾個單元，賽車的 POWERLINK 接口設計成一個極為靈活的通信平臺。POWERLINK 方案在 FPGA 上實現，部分運行在 Plain Logic 和軟核處理器上。因為FPGA的速度和性能，非常適合于這樣的應用。用戶應用也可以運行在同一 FPGA 的第二個軟核處理器上，或者在 FPGA 外的微處理器、另一個FPGA 、甚至在一個 PC 上，一個額外的集線器可以集成在電路里，具有非常高的接線靈活性。

圖5 POWERLINK 一個主站和兩個從站確保了在汽車內部的實時通信

2009 年 7 月，SDU 海盜賽車團隊使用這種賽車參加了兩次比賽，他們贏得了“汽車領域內最具創新的嵌入式系統應用”這一個獎項。

6.2 POWERLINK 助阿爾斯通電力實現網絡技術標準化

ALSPAControlplant是阿爾斯通（Alstom）專為能源應用領域設計的電廠控制與自動化系統，由于該領域要求系統具有極高的可靠性和可用性，因此阿爾斯通決定使用高度分布式的系統架構，網絡也就成為了該控制系統的一個核心部分。除了 Modbus TCP 之外，阿爾斯通選擇了以太網POWERLINK 作為其控制系統的現場總線。在完成控制系統設計之前，阿爾斯通需要對 POWERLINK 技術的一些主要特性做一番全面了解。在得出 POWERLINK 最重要的特點是冗余之后，公司就將其作為系統標準加以使用。這一具有冗余功能的確定性網絡為電廠自動化的開閉環控制提供了高水平的可用性。

多年來，以太網技術已經在管理運行網絡和系統網絡中得到廣泛應用。由POWERLINK 現場總線構成的整個網絡架構基于成熟且標準化的以太網技術，該以太網擁有眾多優勢：如網絡設備及協議標準化，成本低廉，便于維護，性能很高，減少了自主方案容易過時的風險。針對能源管理業務，阿爾斯通還推出了一套控制系統，并將其命名為 ALSPA。阿爾斯通的ALSPA CONTROPLANT DCS 系統主要針對電廠控制與自動化市場。

（1） ALSPA

基于特定硬件組件和標準通信網絡的ALSPA 系統含有靈活且開放的分布式系統架構。ALSPA 產品系列支持電廠運行的眾多核心功能，其優勢主要體現在系統擁有多重安全和可用性特點，如自測試、控制器和通信系統冗余、時間同步和時間戳精度為 1ms、容錯以及控制室設備掉電時系統繼續自主運行等。ALSPA 產品系列可用于 DCS 系統（熱電、水電、核電等）及電廠設備控制，針對電廠設備主要包括下列控制產品： ALSPA 現場控制器；鍋爐保護和控制管理系統Controflame；蒸汽輪機控制器Controsteam；燃氣輪機控制器Controgas；發電機自動電壓調節和勵磁控制器Controgen。

該控制系統圍繞三方面組件構筑而成： 帶軟件和硬件的控制室人機界面（HMI）；工程管理工具，對整個電廠進行統一規劃與設計（包括DCS 系統、設備控制系統以及采用單點接入與唯一數據庫的仿真裝置）。

所有這些組件都是通過快速以太網實現互聯（見圖 6）。

圖 6 聯合循環發電廠典型結構

（2） ALSPA 系統網絡

操作層主要位于控制室，因此工業制約因素較少，一般采用標準快速以太網作為交換網絡。

控制層是基于成熟的工業以太網解決方案，連接 DCS 系統三層結構。容錯環形拓撲結構確保了系統具有高可用性。由于標準以太網采用IP協議（TCP/IP 和 UDP/IP 協議），因此它無需確定性。控制層的數據傳輸速率為 100Mbits/s 或 1Gbits/s，采用光纖電纜或銅質電纜。現場網絡位于現場層，因此制約因素也最為苛刻。在現場層中互聯的設備通常具有很高的可用性要求，因而需要有冗余功能和一個高可靠性的網絡（見圖7）。

圖7 ALSPA控制系統架構

（3）現場網絡演變為基于以太網的解決方案

日新月異的電力市場應用對網絡性能提出了更高的要求，基于高速以太網的全新技術也應運而生。阿爾斯通在眾多工業以太網技術中選擇了兩項技術，一項無任何確定性限制，而另一項則擁有極高的實時確定性要求。經過了廣泛的選擇之后，阿爾斯通決定采用 Modbus TCP 作為非確定性現場網絡。Modbus TCP 因其對第三方設備具有廣泛開放性得以入選。

由于確定性實時現場網絡需要使用分布式 I/O，因此實時以太網網絡要求簡化系統架構，集中處理單元控制器內部數據，降低系統安裝、維護和組態成本。此外，確定性實時以太網還要求通過網絡實現基于時間戳的時間同步功能，無需特定的外部電纜就能將同步數據和信號傳輸到現場控制器。

（4）確定性實時網絡：選擇POWERLINK 作為現場網絡的原因

如果說非確定性網絡的選擇是容易而又自然的話，那么確定性實時網絡的選擇就顯得相對復雜。阿爾斯通對現有硬實時以太網技術進行了大量研究，希望該技術能夠滿足下列要求：

1） 開放且獨立的標準，基于標準組件；

2） 市場認可的標準化解決方案；

3） 標準化設備和組件降低成本；

4）基于標準以太網；

5） 從網絡技術的全球推廣中獲益；

6） 基于所有最新通信協議的通用解決方案；

7） 無特殊硬件要求；

8） 成熟可靠的安全通信技術；

9）電廠控制系統從成熟可靠的通信解決方案中獲益；

10）高性能的安全以太網協議（滿足安全等級 SIL3）；

11）高確定性實時網絡；

12）標準的數據傳輸速率為 100Mbits/s；

13） 通信網絡確保確定性和實時性；

14）確定性實時數據實現微秒級傳輸。

一般而言，電廠往往需要運行幾十年，這導致技術的長期可用性成為了一項非常重要的選擇標準，因此基于以太網的解決方案應該具有一個相當長的生命周期。為了完成這一目標，最為安全的方法就是選擇一項基于標準硬件的標準化技術。當然，預想依靠一家供應商或一項使用十年就淘汰的技術是不可能的。在經過長期研究、建模和仿真分析后，阿爾斯通最終選擇了 POWERLINK 作為其控制系統的現場網絡。

（5）全新的網絡架構

由于現場網絡采用了 POWERLINK，因此整個系統網絡架構完全基于成熟和標準的以太網技術。這一獨特的基于全以太網的網絡結構擁有眾多優點。首先，它使用戶對網絡設備和協議（TCP和UDP/IP 協議）進行了標準化。其次，即使在某些情況下出于對有源網絡設備（交換機和集線器）的需要從而導致網絡本身的價格十分昂貴，分布式系統架構、標準化網絡設備及協議、減少布線（只有以太網和總線拓撲結構）以及網絡設備同步運行也能大大減低網絡的總成本。然后，這一充分基于以太網的網絡增加了性能更高的運行及維護設施。最后，使用標準的以太網技術可以遵循以太網不斷發展的軌跡，而且可以從整個以太網用戶團體的研發投資行為中獲益而無需增加額外的研發成本。

POWERLINK 是一個基于標準以太網組件的純軟件解決方案，它在與標準以太網設備的完全兼容性方面擁有顯著優勢。例如，其中的一項優勢是，它允許使用光纖技術訪問遠程設備（幾公里外），光纖網絡的優點是它可以架設在電磁干擾區。

（6）阿爾斯通推動 POWERLINK 發展：高可用性

阿爾斯通一直以來都在推廣POWERLINK 技術，希望其“高可用性”技術特色成為一項以太網POWERLINK的標準。以太網 POWERLINK 標準化組織（ EPSG ， Ethernet POWERLINK Standardization Group）的開放性使阿爾斯通得以在長期以來分享該專業技術并將其應用于高可用性的控制系統中。因此，“高可用性”技術工作組由阿爾斯通牽頭成立，目標就是針對 POWERLINK 中的“高可用性”技術特色進行發布。其中最重要的一項要求是，在不修改目前 POWERLINK規范的前提下維持這一技術與現有設備完全兼容。該技術工作組順利完成了這項目標，并將“高可用性”添加到現有POWERLINK 技術的一項標準。這樣，阿爾斯通就能利用具有高可用性的 POWERLINK網絡來對電廠運行進行自動化控制。確實，萬一控制硬件發生故障或電纜損壞時，一些關鍵的應用程序必須確保安全，防止功能中斷。如果一臺帶控制功能的 IPC中斷運行，那么另一個控制單元需要立即“注意”到故障，并承擔起繼續運行的任務從而避免延誤運行造成的風險。由阿爾斯通實現的冗余功能可以輕松完成本地化故障檢測，避免數據丟失（無循環時間損失，無需重置時間）。

POWERLINK 技術的高可用性已經通過一種先進的模型檢驗方法得到了驗證。在完成了所有的模型建立和技術開發之后，為了確認計算結果，阿爾斯通進入了密集的仿真分析階段。仿真分析還可以測試系統在一系列關鍵場景下的系統功能性。經過長期深入的驗證階段之后，阿爾斯通確定了控制系統具有高可用性，系統隨即便投入了運行。

7 結束語

阿爾斯通通過將 POWERLINK 技術集成到現場網絡中，已經證明了在電廠控制系統中使用工業以太網的眾多優勢。他們非常高興地看到 POWERLINK 標準的誕生并且對此充滿信心，因為這項技術具備所有關鍵過程控制所必需的技術品質。隨著最近宣布開源 POWERLINK 解決方案（openPOWERLINK）的技術發布，阿爾斯通深信這將推動越來越多的第三方設備制造廠商采用這項技術。

高度分布的控制系統架構將網絡視為系統的核心，這就是為什么系統需要采用高性能以太網的原因，而且基于標準以太網設備是一項基本選擇。此外，阿爾斯通所提供的系統必須是標準的、成熟的和可靠的。通過技術改進，阿爾斯通獲得了更多的專業技術，同時也將推動進一步的技術開發。此外，整個 POWERLINK 用戶團體也將從中獲益，因為 EPSG 已經將一些新的功能標準化，且向所有人開放。就目前來說，利用以太網技術不僅是一項技術突破，而且還可以確保面向未來的投資行為不斷推進。