Ethernet_Powerlink

**Ethernet Powerlink** 是在標準乙太網路上的即時通訊協定，是由 Ethernet POWERLINK 標準化組（EPSG）管理的開放通訊協定，是由奧地利自動化公司 B&R 在 2001 年開始使用。

此通訊協定的名稱中雖然有 Power，但是和乙太網路網線的電力分佈、乙太網路供電（PoE）、電力線通訊（power line communication）或鉑傲的 PowerLink 纜線都沒有關係。

## 簡介

Ethernet Powerlink 是 Ethernet 的擴展，混合了輪詢以及時間切片（timeslicing）機制，可以提供：

* 時間關鍵資料可以確保在非常短的等時（isochronic）週期中傳送，具有可規劃的回應時間。
* 網路上的所有節點都可以時間同步（Time-synchronisation），精度可以到微秒以下。
* 比較沒有時間關鍵性的資料傳輸是在一個專屬的非同步通道中傳輸。

目前的實現方式其循環時間可以到 200 µs 以下，其時間精度（jitter）小於 1 µs。

## 標準化組織

Ethernet Powerlink 由 Powerlink 標準化組（EPSG）所推動的，此組織在 2003 年 6 月成立，是獨立的協會。

標準化組中有許多的工作組，例如安全、技術、行銷、認證及終端客戶。EPSG 和標準化組織及協會一起運作，類似 CAN in Automation（CiA）及 IEC（電際電工協會）的關係。

## 實體層

Ethernet Powerlink 原來的實體層是 100BASE-TX 快速乙太網路，自從 2006 年底開始，實體層可以支援十億位元乙太網路，其傳輸速率可以提昇到十倍（1,000 Mbit/s）。

在實體控制的區域中，建議用集線器（hub），不要使用網路交換器（switch），可以減小延遲以及時間抖動（jitter）。Ethernet Powerlink 使用 IAONA 的 Industrial Ethernet Planning and Installation Guide，可以使用二種工業乙太網的接頭：8P8C（常稱為 RJ45）及 M12。

## 資料連結層

Ethernet Powerlink 利用額外的匯流排調度機制（bus scheduling mechanism），擴展了標準乙太網的資料連結層，確保同一時間只有一個節點可以存取網路。調度機制中分為等時階段（isochronous phase）以及非同步階段（asynchronous phase）。在等時階段中會傳送時間關鍵的資料，非同步階段則會提供頻寬，傳送非時間關鍵的資料。管理節點（Managing Node，簡稱 MN）會用輪詢請求訊息的方式允許其他節點存取網路。因此同一個時間只有一個節點（CN）可以存取網路，避免以往在使用網路交換器之前，乙太網集線器上會有的資料碰撞（collision）情形。以往沒有網路交換器的乙太網使用的 CSMA/CD 機制會產生非確定性的乙太網行為，Ethernet Powerlink 使用匯流排調度機制，不會出現這類的行為。

## 基本週期

在系列啟動之後，會在實時條件下運作 Real-Time domain。基本週期（basic cycle）的排程是由管理節點（Managing Node）所控制，整體的週期時間會依非同步資料的數量、等時資料的數量，以及每一個週期要輸詢的節點數量而定。

基本週期包括以下的階段：

* **啟動階段（Start Phase）** ：由管理節點送同步訊息給所有節點，此資料框稱為 SoC，週期開始（Start of Cycle）。
* **等時階段（Isochronous Phase）** ：管理節點會輪流傳送 Preq - Poll 請求資料框給每一個節點，傳送有關製程控制或是運動控制的時間關鍵資料。定址到的節點會回覆 Pres - Poll 回覆資料框。在這個階段，所有不在傳送狀態的節點都處於接收模式，因此此時的通訊系統是生產者 - 消費者（producer-consumer）的關係。

包括 Preq-n 和 Pres-n 在內的時間框稱為定址節點的時間槽（time slot）。

* **非同步階段（Asynchronous Phase）** ：管理節點送出 SoA（Start of Asynchronous，非同步啟始）資料框給某特定節點，授權給該節點傳送特設（ad-hoc）資料。定址到的節點會回覆 ASnd。標準以 IP 為基礎的通訊協定及定址方式可以在此階段傳送。

網路實時通訊行為的品質會和整體基本週期時間的精度有關。個別階段的長度會變化，不過所有週期加起來仍要在基本週期時間的邊界內。管理節點會監測基本週期時間的一致程度。可以規劃非同步及等時階段的時間。

圖 1：時間線上方的資料框是由管理節點送出，時間線下方的是由不同的節點送出。

圖 2：各節點的時間槽以及非同步的時間槽

**頻寛最佳化的多工（Multiplex for Bandwidth Optimization）**

網路系統中除了在每一個基本週期傳送非同步資料外，為了提高頻寛利用率，有些節點也可以共享傳送時間槽。因此，非同步階段可以區分專屬於特定節點，每一個基本週期都可以傳送資料的時間槽，另外一些時間槽則是由幾個節點共享，幾個基本週期才會傳送一次資料。因此其他也有時間關鍵資料，但優先度較低的節點，可以在時間為基本週期整數倍的週期來傳送。管理節點可以規劃每個傳送週期中的時間槽。

圖 3：EPL 的多工模式

**輪詢響應鏈**

輪詢響應鏈（Poll response chaining）模式主要是用在機器人應用以及大型的超級結構（superstructures）。其關鍵是資料框的數量以及較好的資料分佈。

## OpenSAFETY

目前，機械、工廠以及安全系統由基於硬體的安全功能組成的嚴謹方案中。結果是昂貴的網路線以及有限的診斷選項。其解法是將安全相關的應用資料整合到串列控制的通訊協定中。OpenSAFETY 允許 publish/subscriber 及 client/server 兩種通訊方式。安全相關資料是在標準通訊訊息中的嵌入資料框中傳送。功能安全通訊協定中，需要有避免因為系統錯誤或是隨機錯誤造成未偵測到失效的機制，是其整體性的一部份。OpenSAFETY 符合 IEC 61508，滿足安全完整性等級（SIL）3 的要求。錯誤偵測機制不會影響現有的傳輸層。

## 腳注

## 參考資料

* Machine safety Tactical brief, Machine Safety (PDF), Automation World, 2012 [2020-01-22], （原始內容 (可攜式文件格式) 存檔於 2012-09-07）
* Humphrey, David, openSAFETY Initiative Aims to Unify Industrial Safety Protocols, USA: ARC Advisory Group, 2012 [2020-01-22], （原始內容存檔於 2012-08-17）
* POWERLINK Awarded National Standard in China, Control Engineering Asia, 2012 [2020-01-22], （原始內容存檔於 2013-01-19）
* DDASCA Consortium defines openSAFETY as standard, Automation.com, 2012 [2020-01-22], （原始內容存檔於 2020-08-05）
* Zezulka, F.; Hyncica, o., Průmyslový Ethernet VIII: Ethernet Powerlink, Profinet (可攜式文件格式), Automa, 2008, **5**: 62–66 [2020-01-22], （原始內容存檔 (PDF) 於 2020-07-31）
* Which Ethernet system is the right one?, Control Engineering Europe, 2009 [2020-01-22], （原始內容存檔於 2015-11-07）

## 外部連結

* ethernet-powerlink.org Ethernet POWERLINK Standardization Group website（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* sourceforge.net/projects/openpowerlink Open Source Stack （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Ethernet Powerlink Group
* OpenSafety Group