POWERLINK技术组织、通信行规规范与技术应用

／机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 李玉敏／

1 POWERLINK国际技术组织（EPSG）

以太网POWERLINK标准化组织（EPSG）在2003年成立于瑞士，是为了POWERLINK技术的标准化、市场推广和进一步发展，最初出现在公众业界面前是2001年。其是独立于制造商和完全基于软件的实时通信系统，自2008年以来，是一种免费开放源代码的解决方案。EPSG设在德国柏林的POWERLINK办公室负责处理公共关系，协调共享项目实施，对现有和潜在成员提供技术和市场等信息。 POWERLINK国际技术组织结构如图1所示。

POWERLINK组织成员收益：

1） 贸易展览会—— 纽伦堡、汉诺威、帕尔马、巴黎、上海等，可以利用这种遍布世界各地的机会，在EPSG的展位中展示产品；

2）路演——参加路演，可以在新产业中建立有价值的商业联系；

3） 网站——在EPSG的网站上，可以用耀眼的技术展示公司和产品，吸引潜在客户；

4）刊物——为EPSG刊物提供有趣和有价值的内容；

5）技术报告/新闻稿——可以通过超过100种商业杂志促销公司的产品，带来巨大的商业收益；

6） 通讯——EPSG通讯可以作为一种在线平台，告知全球的POWERLINK社区有关创新的信息；

7）标准化和认证——使用指定的工具，能有效地准备产品认证，这是一种优势，测试其是否符合POWERLINK连接的相关规范。由EPSG提供的认证可确保市场的统一标准。第一组认证产品的公司将免费成为EPSG成员。

图1 POWERLINK国际技术组织结构

2 POWERLINK中国组织结构

POWERLINK中国用户组织的组织架构为理事会结构，由成员大会、理事会、秘书长与各工作组构成，所有成员为该组织的最高权力机构，理事会向成员大会负责，理事会成员由理事长和副理事长构成，秘书长由理事长任命并领导日常各工作组的工作开展，向理事会负责，如图2所示。

图2 POWERLINK中国组织架构

POWERLINK会员来自国内商业企业、教育及研究机构、硬件与软件支持与服务企业；自然人和个人组织；国外的厂商（若原本为EPSG的成员，则无需另行加入中国用户组织）。

申请加入POWERLINK会员的手续：填写成员申请表，传真至POWERLINK中国用户组织，经理事会审核通过。

3 POWERLINK技术

“POWERLINK是在以太网基础上的CANopen”，——这样的描述似乎有点简单，但它抓住了这一通信系统为用户提供了不同协议打包的要点，却没有体现POWERLINK的实时能力。因而，正确的关于POWERLINK优势的评价需要了解一些CANopen和以太网技术的基础知识，可以从以太网协议自身的特性深入，了解POWERLINK。

POWERLINK基于以太网技术的灵活性和特征优势，保留了以太网标准，为用户提供了更多的灵活性和特有的收益，POWERLINK = CANopen + Ethernet。如：以太网协议的基本运行及功能；OSI，即一个描述传输层协议的标准化数据通信模型；遵循OSI模型的以太网； 以太网基础，帧、通信和标准化； 用户收益来自POWERLINK兼容标准。

以太网协议描述了一个通过设置标准的数据传输协议，例如，大小、结构、地址和数据包，像很多现场总线一样，以太网只是定义了开放系统互联参考模型（OSI）的两个最低层，因此它可以用于对不同协议进行数据的传输，依次定义了更高层，如图3所示。

3.1 基于放系统互联参考模型（OSI）的以太网

OSI是一个用于开放信息处理系统标准化的通信模型，它是当今许多通用数据传输协议的参考模型。这个模型将数据传输的任务分为7层，每个层都建立在下面的基础之上，作为一个例子，每层都可执行在其协议上定义的任务。

第一层是物理层，或者说是比特传输层，定义了传输介质的电气、机械和功能接口，上面的数据链路层通过偏差发现机制确保了终端设备和传输介质正确的数据地址和可用的连接。为了简化的原因，这两层在联网技术中称为“物理层”，上面是第三和第四层，第三层“网络层”，控制数据传输的时钟和逻辑，第四层“传输层”，单元数据分配到应用层，第五层、第六层和第七层称为应用层。正如前述，以太网只是覆盖了物理和数据链路层，之后，这使得不同的协议和访问不同的层，POWERLINK和CANopen，POWERLINK是物理层，定义了最低层，CANopen是应用层，定义了最高层。

图3 POWERLINK与OSI模型的工作原理图

3.2 以太网帧

简单的说，以太网帧（每个数据包的协议类型）由五个域构成：源和目标MAC地址，以太网类型域包含了一些控制信息，一个有效载荷（数据）域，及一个差错校验帧。一个标准数据帧最大长度为1518位，包含至少46到1500位的有效载荷域。

3.3 MAC编址

由于以太网的运行很像广播，因此它广播的数据可以为每个网络节点所接收，帧内需要一个源和一个目标地址以便可以定义发送和接收节点，这就是MAC编址，每个设备在网络上分配到一个唯一的地址，这是通过上层的软件服务来实现的，由于中继器和集线器仅仅传输数据，它们并不需要自己的地址，桥和交换机通常用于把网络分为不同的域，也不需要MAC地址，因此，它们不是主动通信。所谓的管理型交换机是一个例外，这时交换机需要地址，因为它要提供直接的访问和监控服务，在桥执行树形协议传输时，需要MAC地址，它将数据通过最短可能连接进行路由，在一个复杂的网络里，这个协议阻止了在同一个目标里的帧复制和并发的到达，它也可以在数据失效时使用一个冗余网络路径。

3.4 CSMA/CD

CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）机制是依照IEEE802.3的标准以太网的关键组件，这个介质访问协议通过提供载波侦听和冲突检测的方式使得几个站点可以访问同一个传输介质，然而，这一特性不可避免地耽搁了数据的传输，不幸的是，其他的方法为了避免碰撞，例如采用交换机，也导致了非确定性的网络延时。

3.5 POWERLINK和以太网标准

以上特性（以太网帧结构、编址系统和CSMA/CD机制）是标准以太网的内核，因此，它们也是遵循标准以太网POWERLINK协议的构成部分，遵循这个标准对于消费者意味着什么呢？

标准化兼容，一些工业组织介绍了把实时性增加到以太网协议的新技术，为了加速它们的系统，它们选择了偏离标准协议的物理层介质和访问机制，或者必须用特殊的硬件来传输以太网帧，或者以太网帧不遵循标准。对于这些系统，终端消费者通常依靠所有权（由特定厂商持有专利权）的硬件如ASIC，由特定的厂商提供。然而，如果以太网是一种开放性的工业标准，用户需要的是开放的、无私有产权的实时应用。为了采用纯以太网技术，用户将不可避免需要一个解决方案，例如POWERLINK，它使用纯粹的标准以太网帧，以达到：一个可确保满足苛刻时间要求的数据在一个极短、同步循环周期内传输，并且可配置的响应时间； 在微妙级的多个网络节点的数据高精度同步； 对非严格时间要求的数据在一个非同步通道内传递。

POWERLINK的开发者通过轮询及时间槽机制扩展以太网协议栈，没有针对IEEE802.3进行修改，因此，制造商和用户可以依赖标准的以太网硬件，它们可以继续保留标准芯片的应用，设备和下部构造的组件，以及标准测试和检测系统，所有高层协议，基于IP的协议，如TCP、UDP及其他上层协议也可以无需修改仍可使用。

4 POWERLINK遵循的标准

1） IEEE 802.3快速以太网。

2）基于IP协议（TCP、UDP等）EN50325-4。

3）标准设备描述文件：CANopen EN 50325-4。

4）标准以太网芯片：无ASIC芯片。

5）IEEE 1588实时同步。

5 POWERLINK关键特性

POWERLINK用于工业领域的主要特征表现在POWERLINK融合了以太网和CANopen的特性。结合以太网、CANopen和一些新开发的应用于实时数据通信协议栈，POWERLINK集成了三个不同领域的特性和能力。第一个优势是POWERLINK保留了与标准以太网最近的距离，保留了原始的以太网特性，并且降低了工业以太网的开发成本；第二个优势在于集成了CANopen技术，一个鲁棒性非常好并且在自动化领域被大量采用的协议，简化了网络的部署和扩展。第三个优势是POWERLINK的成功在于它是由EPSG开发的，POWERLINK协议栈强化了实时能力，引领PLC和组件制造商团队组织共同来实现这个技术项目，结果是增加了大量的附加值，扩展了成功的范围，例如，面向安全技术的POWERLINK Safety技术，高可靠性和管理节点冗余技术等。

6 POWERLINK技术应用

6.1 更快的总线，更快的汽车

过去的20年里，CAN总线协议业已成为汽车工业的核心通信技术，这是一个具有高可靠性和鲁棒性的协议，但它最大传输波特率只有 1Mbit／s，对于今天的应用而言显然太慢了。因为这一限制，很多重要的信息仍需通过机械方案来传递，不仅昂贵并且缺乏智能。为了能够用一种合适的方法来改善这一成熟技术，人们在众所周知的实时以太网技术上投入了很多时间和实验，目的在于寻找一种更为适用于学生方程式赛车的协议，结果就在确定了POWERLINK一个主从的通信方案，实现了在汽车内部实时处理各个独立的从站间的信息交换。

（1）学生方程式（Formula Student）

学生方程式是一场由学生设计和生产的单座赛车比赛，已经有超过 10 年的历史了，该竞赛每年在全球举行，学生相互竞争，不仅在赛车道上，也在相关设计和市场上，并由一个专家组进行评估。不同团队竞争于不同的产品类。在这种方式中，严重的设计缺陷必须在生产之前由基础的概念设计发现。最初，主要集中在机械上。今天，为了在竞争中取得领先地位，电气扮演着更为重要的角色。

（2）丹麦南方大学的学生方程式

在丹麦南方大学，Formula Student 项目始建立于 2006 年。现在，这个团队由机械和电气学生组成。机械工程师的工作在于构建一个架构，包括汽车的操控和悬挂系统，而电气工程师则聚焦在电气单元。总的思路是创造一个分布式架构，使其能在汽车内部广泛使用，极端的应用是使用独立的节点控制每个气缸，协调各个减速箱在各个节点需要一个高速响应的网络。见图4。

图4 POWERLINK 在赛车汽车电子网络中的新理念

传统且具有良好验证的 CAN 总线是汽车工业的一个标准。现代技术对于波特率和同步性的需求导致了对以太网技术实时协议的研发，POWERLINK 建立了适应于汽车的分布式网络，主要的优势在于使用了传统以太网的物理层芯片，这使得它无需使用特殊的硬件。它允许以太网技术更新升级获得应用。

POWERLINK 还提供了更为灵活的应用拆分，使应用可以拆分成任意数量的节点，同时仍然能够保持实时数据交换，对象字典提供了各个节点之间的数据交换接口，这也定义了 POWERLINK 标准。

同样，POWERLINK 节点的规模也是一个关键参数，因为节点需要适应汽车的各个部分，这对于保持最少接线至关重要。

（3）方案如何实现

学生们在一年里开发了减速箱、离合器、发动机控制单元、仪表盘和数据记录器，并且通过 POWERLINK 来连接这几个单元，赛车的 POWERLINK 接口设计成一个极为灵活的通信平台。POWERLINK 方案在 FPGA 上实现，部分运行在 Plain Logic 和软核处理器上。因为FPGA的速度和性能，非常适合于这样的应用。用户应用也可以运行在同一 FPGA 的第二个软核处理器上，或者在 FPGA 外的微处理器、另一个FPGA 、甚至在一个 PC 上，一个额外的集线器可以集成在电路里，具有非常高的接线灵活性。

图5 POWERLINK 一个主站和两个从站确保了在汽车内部的实时通信

2009 年 7 月，SDU 海盗赛车团队使用这种赛车参加了两次比赛，他们赢得了“汽车领域内最具创新的嵌入式系统应用”这一个奖项。

6.2 POWERLINK 助阿尔斯通电力实现网络技术标准化

ALSPAControlplant是阿尔斯通（Alstom）专为能源应用领域设计的电厂控制与自动化系统，由于该领域要求系统具有极高的可靠性和可用性，因此阿尔斯通决定使用高度分布式的系统架构，网络也就成为了该控制系统的一个核心部分。除了 Modbus TCP 之外，阿尔斯通选择了以太网POWERLINK 作为其控制系统的现场总线。在完成控制系统设计之前，阿尔斯通需要对 POWERLINK 技术的一些主要特性做一番全面了解。在得出 POWERLINK 最重要的特点是冗余之后，公司就将其作为系统标准加以使用。这一具有冗余功能的确定性网络为电厂自动化的开闭环控制提供了高水平的可用性。

多年来，以太网技术已经在管理运行网络和系统网络中得到广泛应用。由POWERLINK 现场总线构成的整个网络架构基于成熟且标准化的以太网技术，该以太网拥有众多优势：如网络设备及协议标准化，成本低廉，便于维护，性能很高，减少了自主方案容易过时的风险。针对能源管理业务，阿尔斯通还推出了一套控制系统，并将其命名为 ALSPA。阿尔斯通的ALSPA CONTROPLANT DCS 系统主要针对电厂控制与自动化市场。

（1） ALSPA

基于特定硬件组件和标准通信网络的ALSPA 系统含有灵活且开放的分布式系统架构。ALSPA 产品系列支持电厂运行的众多核心功能，其优势主要体现在系统拥有多重安全和可用性特点，如自测试、控制器和通信系统冗余、时间同步和时间戳精度为 1ms、容错以及控制室设备掉电时系统继续自主运行等。ALSPA 产品系列可用于 DCS 系统（热电、水电、核电等）及电厂设备控制，针对电厂设备主要包括下列控制产品： ALSPA 现场控制器；锅炉保护和控制管理系统Controflame；蒸汽轮机控制器Controsteam；燃气轮机控制器Controgas；发电机自动电压调节和励磁控制器Controgen。

该控制系统围绕三方面组件构筑而成： 带软件和硬件的控制室人机界面（HMI）；工程管理工具，对整个电厂进行统一规划与设计（包括DCS 系统、设备控制系统以及采用单点接入与唯一数据库的仿真装置）。

所有这些组件都是通过快速以太网实现互联（见图 6）。

图 6 联合循环发电厂典型结构

（2） ALSPA 系统网络

操作层主要位于控制室，因此工业制约因素较少，一般采用标准快速以太网作为交换网络。

控制层是基于成熟的工业以太网解决方案，连接 DCS 系统三层结构。容错环形拓扑结构确保了系统具有高可用性。由于标准以太网采用IP协议（TCP/IP 和 UDP/IP 协议），因此它无需确定性。控制层的数据传输速率为 100Mbits/s 或 1Gbits/s，采用光纤电缆或铜质电缆。现场网络位于现场层，因此制约因素也最为苛刻。在现场层中互联的设备通常具有很高的可用性要求，因而需要有冗余功能和一个高可靠性的网络（见图7）。

图7 ALSPA控制系统架构

（3）现场网络演变为基于以太网的解决方案

日新月异的电力市场应用对网络性能提出了更高的要求，基于高速以太网的全新技术也应运而生。阿尔斯通在众多工业以太网技术中选择了两项技术，一项无任何确定性限制，而另一项则拥有极高的实时确定性要求。经过了广泛的选择之后，阿尔斯通决定采用 Modbus TCP 作为非确定性现场网络。Modbus TCP 因其对第三方设备具有广泛开放性得以入选。

由于确定性实时现场网络需要使用分布式 I/O，因此实时以太网网络要求简化系统架构，集中处理单元控制器内部数据，降低系统安装、维护和组态成本。此外，确定性实时以太网还要求通过网络实现基于时间戳的时间同步功能，无需特定的外部电缆就能将同步数据和信号传输到现场控制器。

（4）确定性实时网络：选择POWERLINK 作为现场网络的原因

如果说非确定性网络的选择是容易而又自然的话，那么确定性实时网络的选择就显得相对复杂。阿尔斯通对现有硬实时以太网技术进行了大量研究，希望该技术能够满足下列要求：

1） 开放且独立的标准，基于标准组件；

2） 市场认可的标准化解决方案；

3） 标准化设备和组件降低成本；

4）基于标准以太网；

5） 从网络技术的全球推广中获益；

6） 基于所有最新通信协议的通用解决方案；

7） 无特殊硬件要求；

8） 成熟可靠的安全通信技术；

9）电厂控制系统从成熟可靠的通信解决方案中获益；

10）高性能的安全以太网协议（满足安全等级 SIL3）；

11）高确定性实时网络；

12）标准的数据传输速率为 100Mbits/s；

13） 通信网络确保确定性和实时性；

14）确定性实时数据实现微秒级传输。

一般而言，电厂往往需要运行几十年，这导致技术的长期可用性成为了一项非常重要的选择标准，因此基于以太网的解决方案应该具有一个相当长的生命周期。为了完成这一目标，最为安全的方法就是选择一项基于标准硬件的标准化技术。当然，预想依靠一家供应商或一项使用十年就淘汰的技术是不可能的。在经过长期研究、建模和仿真分析后，阿尔斯通最终选择了 POWERLINK 作为其控制系统的现场网络。

（5）全新的网络架构

由于现场网络采用了 POWERLINK，因此整个系统网络架构完全基于成熟和标准的以太网技术。这一独特的基于全以太网的网络结构拥有众多优点。首先，它使用户对网络设备和协议（TCP和UDP/IP 协议）进行了标准化。其次，即使在某些情况下出于对有源网络设备（交换机和集线器）的需要从而导致网络本身的价格十分昂贵，分布式系统架构、标准化网络设备及协议、减少布线（只有以太网和总线拓扑结构）以及网络设备同步运行也能大大减低网络的总成本。然后，这一充分基于以太网的网络增加了性能更高的运行及维护设施。最后，使用标准的以太网技术可以遵循以太网不断发展的轨迹，而且可以从整个以太网用户团体的研发投资行为中获益而无需增加额外的研发成本。

POWERLINK 是一个基于标准以太网组件的纯软件解决方案，它在与标准以太网设备的完全兼容性方面拥有显著优势。例如，其中的一项优势是，它允许使用光纤技术访问远程设备（几公里外），光纤网络的优点是它可以架设在电磁干扰区。

（6）阿尔斯通推动 POWERLINK 发展：高可用性

阿尔斯通一直以来都在推广POWERLINK 技术，希望其“高可用性”技术特色成为一项以太网POWERLINK的标准。以太网 POWERLINK 标准化组织（ EPSG ， Ethernet POWERLINK Standardization Group）的开放性使阿尔斯通得以在长期以来分享该专业技术并将其应用于高可用性的控制系统中。因此，“高可用性”技术工作组由阿尔斯通牵头成立，目标就是针对 POWERLINK 中的“高可用性”技术特色进行发布。其中最重要的一项要求是，在不修改目前 POWERLINK规范的前提下维持这一技术与现有设备完全兼容。该技术工作组顺利完成了这项目标，并将“高可用性”添加到现有POWERLINK 技术的一项标准。这样，阿尔斯通就能利用具有高可用性的 POWERLINK网络来对电厂运行进行自动化控制。确实，万一控制硬件发生故障或电缆损坏时，一些关键的应用程序必须确保安全，防止功能中断。如果一台带控制功能的 IPC中断运行，那么另一个控制单元需要立即“注意”到故障，并承担起继续运行的任务从而避免延误运行造成的风险。由阿尔斯通实现的冗余功能可以轻松完成本地化故障检测，避免数据丢失（无循环时间损失，无需重置时间）。

POWERLINK 技术的高可用性已经通过一种先进的模型检验方法得到了验证。在完成了所有的模型建立和技术开发之后，为了确认计算结果，阿尔斯通进入了密集的仿真分析阶段。仿真分析还可以测试系统在一系列关键场景下的系统功能性。经过长期深入的验证阶段之后，阿尔斯通确定了控制系统具有高可用性，系统随即便投入了运行。

7 结束语

阿尔斯通通过将 POWERLINK 技术集成到现场网络中，已经证明了在电厂控制系统中使用工业以太网的众多优势。他们非常高兴地看到 POWERLINK 标准的诞生并且对此充满信心，因为这项技术具备所有关键过程控制所必需的技术品质。随着最近宣布开源 POWERLINK 解决方案（openPOWERLINK）的技术发布，阿尔斯通深信这将推动越来越多的第三方设备制造厂商采用这项技术。

高度分布的控制系统架构将网络视为系统的核心，这就是为什么系统需要采用高性能以太网的原因，而且基于标准以太网设备是一项基本选择。此外，阿尔斯通所提供的系统必须是标准的、成熟的和可靠的。通过技术改进，阿尔斯通获得了更多的专业技术，同时也将推动进一步的技术开发。此外，整个 POWERLINK 用户团体也将从中获益，因为 EPSG 已经将一些新的功能标准化，且向所有人开放。就目前来说，利用以太网技术不仅是一项技术突破，而且还可以确保面向未来的投资行为不断推进。