POWERLINK 工业实时以太网协议简介

Posted 2022-03-21 特立独行的猫a

高端制造，在当前历史背景下独立自主是必经之路。先进技术是买不来的，高端制造是国之重器。

何为POWERLINK ？先来说下什么是工业以太网。

工业以太网

平常我们听的最多用的最多的Internet互联网，应用上使用多的也是http,ftp等应用层协议。 

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术。在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3标准）兼容，但是实际产品和应用却又完全不同。这主要表现普通商用以太网的产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面不能满足工业现场的需要，故在工业现场控制应用（如现场各种伺服电机的运动控制）与商用以太网不同的工业以太网。

当以太网用于信息技术时，应用层包括HT-TP、FTP、SNMP等常用协议，但当它用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。以太网的速率要比传统现场总线要快的多，以太网的引入将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投入，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。

遗憾的是，至21世纪还没有统一的应用层协议，导致协议众多，且好多有专利保护或专门芯片级别的保护，国产化在这方面太弱了，在当前国际环境中容易被卡脖子或断供的风险。

基于物理层（如串口232，485，或Ethernet）传输的底层链路，产生了各种总线技术。

总线技术介绍

总线技术由来已久，几种出现较早、应用较多的现场总线，如 CAN、RS485 等，这些 总线传输速度慢、每帧传输的数据包小。随着工业自动化由低速向高速、由低精度向高精度、 由集中式控制向分布式控制的发展，对现场总线的传输速度和数据量都提出了新的要求。于 是就有很多厂家提出了基于以太网技术来实现现场总线，由此诞生了 POWERLINK、 SERCOS、EtherNet/IP、ModBusTCP、ProfinetSRT、EtherCat、MECHATROLINK 等这些工业实时以太网的技术。

目前高速实时现场总线种类繁多，很多厂家都在推广自己的总线协议，这些协议从性能上可分为两类：高实时总线和低实时总线。
低实时性的总线：EtherNet/IP、ModBusTCP、ProfinetSRT。
高实时性的总线：POWERLINK、EtherCat、MECHATROLINK、SERCOS。

Modbus TCP/IP

该协议由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为Modbus TCP/IP。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答，这种呼叫/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的 确定性，利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好。

ProflNet
针对工业应用需求，德国西门子于2001年发布了该协议，它是将原有的Profibus与互联网技术结合，形成了ProfiNet的网络方案。

在高实时性总线中 ，EtherCat 和 MECHATROLINK 需要用专用的 ASIC（芯片） 才能实现，之所以采用 ASIC 芯片来实现的原因之一是为了能够控制市场，使总线知识产权的拥有者处于有利地位，以便在将来可以垄断市场，控制竞争对手。众所周知，工业自动化行业的厂家在2009、2010 年取得了大丰收，很多公司的业绩翻了一倍。他们不缺客户、不愁订单，但是发愁芯片，由于很多芯片采购不到，而不得不丢掉很多客户。提供 ASIC 解决方案的公司，目的就是通过 ASIC 来控制市场、控制竞争对手。
EtherCat 的 ASIC 芯片只提供了数据链路层和物理层，而没有实现应用层。用户买了ASIC 芯片，还不得不自己来实现应用层（如 CANopen），这需要花费用户很长时间。此外不同用户实现的应用层往往不同，这就造成同样都是基于 EtherCat 的设备，却相互不能通信。
POWERLINK 是一个可以在普通以太网上实现的方案，无需 ASIC 芯片，用户可以在各种平台上实现 POWERLINK，如 FPGA、ARM、x86CPU 等，只要有以太网的地方，就可以实现POWERLINK。且公开了所有的源码，任何人都可以免费下载和使用（就像 Linux）。

ProfinetSRT和EtherCat等总线技术的限制情况：

开源实时通信技术Ethernet POWERLINK 是一项在标准以太网介质上，用于解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的最新技术。本文介绍它的基本原理、相关特性如冗余、直接交叉通信、拓扑结构、安全性设计，并定义其物理层与介质等内容。

POWERLINK 的源码里包含了物理层（标准以太网）、数据链路层（DLL ）、应用层（CANopen）三层完整的代码，用户只需将 POWERLINK 的程序在已有的硬件平台上编译运行，就可以在几分钟内实现 POWERLINK。
POWERLINK 是一个易于实现的、高性能的、不被任何人垄断的、真正的互连互通的平台。
POWERLINK 定义了一个精简的、实时性极高的数据链路层协议，同时定义了 CANopen为应用层协议。这样用户在实现了 POWERLINK 的同时，也实现了 CANopen。

什么是CANopen?

CAN(Controller Area Network, 控制器局域网络)是由博世开发的一种现场总线，首先应用在汽车领域。由于它的低成本和可靠性，现在被广泛应用在工业测控和工业自动化领域。

CAN与CANOpen的关系
CAN的物理层分了三层分别是MDI，PMA和PLS，数据链路层分了两层：MAC与LLC。这五层就是最原始的CAN协议，标准是ISO11898。也就是说CAN协议一开始是没有应用层的。后来有一种叫CANOpen的基于CAN的应用层协议被开发出来,标准是CiA301。在实际开发CAN器件的时候不一定要用CANOpen，你可以根据自己的需要定制自己的应用层协议。

几种典型总线的原理

EtherCAT

EtherCAT是基于集束帧方法：EtherCAT主站发送包含网络所有从站数据的数据包，这个帧按照顺序通过网络上的所有节点，当它到达最后一个帧，帧将被再次返回。因此，EtherCAT网络拓扑总是构成一个逻辑环。
当数据帧通过节点时，节点会处理帧中的数据，每个节点读出要接收的数据并将相应要发送的数据插入到帧中。这种处理方式，的确加快了数据的传输速度，降低了通信的循环周期。不足之处是，这种对数据帧的高速处理，要求很高。每个节点在对数据帧处理时，即使有一点偏差也会造成整个数据帧的CRC错误，从而使整个数据帧被丢掉。这使得对产品本身的EMC，以及使用现场的环境，线缆等的要求都很高。为了支持100 Mbit / s的波特率，必须使用专用的ASIC或基于FPGA的硬件来高速处理数据。
此外由于网络上所有节点的输入和输出数据共用同一个数据帧，一个以太网的数据帧容量有限，这就使得EtherCAT不能被用于大数据量的应用场合。

 EtherCAT过程同步
每个从站通过由主站提供的一个类似于IEEE1588的实时时钟进行同步。有处理实时和非实时的机制。在物理层，EtherCAT协议不仅在以太网上运行，也可以采用LVDS（低压差分信号）。EtherCAT采用带有标准以太网接口的PC作为一个主站。EtherCAT没有定义应用层协议，因此用户需要自己开发应用层，如CANopen等。

MECHATROLINK

MECHATROLINK是一个用在工业自动化的开放式通讯协定，最早由日本安川电机开发，后来由MECHATROLINK协会（Mechatrolink Members Association）维护。
Mechatrolink协定分为以下的二种：
MECHATROLINK-II—定义传送界面为RS-485时的通讯协定架构，最快速度为10Mbit/s，最多允许30个从站。
MECHATROLINK-III—定义传送界面为以太网时的通讯协定架构，最快速度为100Mbit/s，最多允许62个从站。

POWERLINK

以太网POWERLINK的第1版于2001年11月由奥地利控制系统制造商 Bernecker & Rainer Industrie-Elektronik(贝加莱集成自动化)公司开发，并提供给其他公司。EPSG（POWERLINK标准化组织）成立于2002年11月。 2003年11月，开始使用实时工业以太网协议POWERLINK V2的规范。POWERLINK=CANopen+Ethernet
鉴于以太网的蓬勃发展和CANopen在自动化领域里的广阔应用基础，EthernetPOWERLINK 融合了这两项技术的优点和缺点，即拥有了Ethernet的高速、开放性接口，以及CANopen在工业领域良好的SDO 和PDO 数据定义，在某种意义上说POWERLINK就是Ethernet 上的CANopen，物理层、数据链路层使用了Ethernet介质，而应用层则保留了原有的SDO 和PDO对象字典的结构。

POWERLINK的优势

在纷繁的总线协议中，POWERLINK 将是实时以太网的未来，原因如下：
1. POWERLINK 是一项开源技术，开放性好，无需授权，无需购买。
2. POWERLINK 基于标准的以太网，无需专用的 ASIC 芯片，有以太网的地方，就可以实现POWERLINK，硬件平台多种多样（ARM，FPGA，DSP，X86 等），不依赖于某一个公司。
3. POWERLINK 速度快，支持 100M/1000M 的以太网。以太网技术进步，POWERLINK的技术就会跟着进步，因为 POWERLINK 站在标准以太网的肩膀上。
4. POWERLINK 性能卓越，使用价格低廉的 FPGA（几美元）来实现 POWERLINK，性能也能达到 100-200us 的循环周期。
5. POWERLINK 支持标准的网络设备，如交换机、HUB 等。支持所有以太网的拓扑结构，使得布线更自由、更灵活。
6. 数据吞吐量大，每个节点每个循环周期支持 1500 字节的输入和 1500 字节的输出。

国人更应该大力支持和推广之。让其广泛的应用和创新起来，才不至于处处受制于人。

​

POWERLINK来发展

POWERLINK的未来基于标准以太网技术的发展，而标准以太网的发展是全世界所有资源贡献的结果，所以POWERLINK的发展不依赖于其自身，而是世界资源的整合，发展无限量。随着Gbps/10Gbps以太网技术蓬勃发展，POWERLINK亦紧跟其脚步，向Gbps/10Gbps深入。 

中国用户组织
Ethernet POWERLINK中国用户组织由贝加莱、上海工业自动化仪表所、步进科技、山东大学、广东工业大学、赫优讯等国内的知名自动化厂商、研究机构、大学共同发起组织的非盈利性组织，其旨在推广这项前沿实时通信技术到中国自动化组件厂商，提供技术咨询、支持和研究的技术性活动，以及市场推广的各种展会、研讨会、学术交流会的组织。每个参与者都将成为“Ethernet POWERLINK”这个源代码开放、纯软件实现、免专利费的技术的“共同持有者”，并受益其中。

 POWERLINK 和 EtherCAT 的比较

EtherCAT:
由 EtherCAT 的原理可知，他适用于较小的系统，整个系统所有节点的接收和发射字节数不超过 1500 Bytes。 系统的可靠性要求不高，拓扑结构为菊花链。典型的应用场合为运动控制，一个控制器带多个伺服驱动器，以及 IO。
POWERLINK：
 可用于小系统，也可用于大系统。典型的应用场合为运动控制（以贝加莱和 ABB为代表），以及过程控制，DCS 系统（和利时，阿尔斯通，东方电气，正泰，中车等）。对于过程控制，要求可靠性高，系统通信量大。 

加油吧伙伴！为国产高端制造添砖添瓦。这不只是一份job，而是一份民族自信，一份荣耀（not王者荣耀🙂）。

引用来源

CAN与CANOpen（一）_maifansnet的博客-CSDN博客_canopen

CANopen学习笔记_cenzmin的博客-CSDN博客_tpdo和rpdo

Ethernet POWERLINK_百度百科

POWERLINK简介 - POWERLINK-软硬件产品 -

（二）PowerLink理论知识_ty_xiumud的博客-CSDN博客_powerlink

MECHATROLINK I II III 总线协议 - PLC/自动化/工控

POWERLINK 与 EtherCAT 的比较

POWERLINK 简介