EPL工业实时以太网技术在污水处理厂中的应用

一：引言

    随着计算机、通信、网络等信息技术的发展，信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场，因此，需要建立包含从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。现代化的污水处理厂系统同样提出了类似的需求。 工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能量的运动和转换，因此它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、总线供电等特殊要求和特点。提到此，大部分人脑海中会出现了各种现场总线(field Bus）名字，Can，profibus，modbus等等，但这些Field Bus 各有特色，各有其发展背景，彼此并不兼容，在市场上各有其专攻的市场及拥护者，20多年来各占一方拥兵自重，无法妥协出一个共同国际标准。在后来的实际项目实施中也不可避免的涉及到了多种现场总线的通讯问题，如与鼓风机设备（国外原装进口设备）Profibus-dp的通讯，与高、低压室多功能电量采集仪、紫外消毒设备控制系统的Modbus通讯，那么是否还有更好的总线标准在类似项目中可供选择的呢？Ethernet Powerlink(EPL)工业实时以太网的技术无疑让人眼前一亮。

二：ETHERNET POWERLINK技术

    ETHERNET POWERLINK（简称EPL）国际标准化组织EPSG成立于2001年，2003年推出系列产品。截至2007年11月底，世界各地240多个OEM用户在40000多台设备和项目上使用了EPL，EPL在全球有450多个成员、用户和支持者，节点数超过了30万个。EPL的主要技术指标有：用标准以太网IEEE802.3u(Fast Ether-net)作为传输媒介；传输速率100Mb/s；使用标准Hub和标准接线；实时数据传输周期最小达200μs；抖动小于1μs；可同时传输实时和非实时数据；可同时传输IP协议；使用以太网标准硬件设备，并且支持冗余技术。它不仅具有工业以太网的标准的可靠性及环境适应性，还很好的解决的标准以太网TCP/IP协议的实时性问题，由于我们更倾向它的实际应用效果，所以对EPL内部工作机制不在描述，感兴趣的朋友可以浏览相关网站或与EPSG组织联系。

    下面的这个图可以更好的说明EPL的出现给工程设计、项目实施以及后期的维护带来的便利性。

    如上图所示，典型的工业控制网络从低到高可以分为这样几个层次：

    1：传感器层（Sensor Layer）：对象是各类传感器及执行器，该层主要处理各类传感器、各类执行机构间的通讯，通讯量很小，通常按字节进行传输，通讯速率< 1kb，但实时性要求很高，ms级别。

    2：过程控制层（Process Layer）：对象是各个远程及本地的I/O站，该层主要处理各个I/O站点间的通讯，通讯量也不大，速率通常设定在50K-500K之间，实时性要求高，ms级别。

    3：处理器层（Cell Layer）：对象是各个CPU控制器，该层主要处理各个控制单元cpu间的通讯，通讯量适中，通讯速率通常在500k—10M间均可满足要求，实时性要求稍高，100ms级别。

    4：管理层（Management Layer）：对象是各个控制室的操作PC,包括相关的服务器及工程师站、操作员站等，该层主要处理各个PC与服务器间的通讯，通讯量大，通讯速率通常为100M以上，实时性要求不高，s级别即可。管理层之上通常还有一层可称为公司层，主要运行相关的ERP系统及其他管理系统，主要负责和管理层数据库的通讯，通讯量大，实时性同样不高。

    在各个层次的分配中，我们可以看到各种现场总线各自的生存空间，如活跃在传感器层的AS-I,活跃在传感器层和过程控制层的Profibus-dp，CANopen、DeviceNet,活跃在处理器层的ControlNet、Profibus-fms等等，而EPL是唯一一款可以同时在传感器层、过程控制层、处理器层及管理层四层网络中应用的协议，真正实现了一线到底，由于EPL即使是基于标准以太网上发展起来的，所以它的配置、升级、扩容都很方便，它的出现很好的克服了传统现场总线互不兼容，不能真正实现信息无缝共享；速率低，应用有限；专用网络，成本高等几点不足。

三：EPL特点综述

    保证确定通信 EPL是标准以太网上惟一的符合IAONA实时类“3+4”的实时协议。无论连接上多少台站(station)或不管周期时间是200微秒还是10毫秒，这项技术始终保证了不超过1微秒(抖动)的精确定时。在点在类似与传感器/执行器层实时性要求高的场合，显得尤为重要。我们可以保证从控制器或者中控室下发下来的指令在一个确定的时间内能获得相应。

    100%兼容以太网标准

    EPL兼容快速以太网IEEE 802.3u标准。因此，所有的基于IP的协议(如TCP、UDP和HTTP)都可以作为同步的时间敏感数据同时传送，从而实现从管理层到驱动器和传感器的无缝的IT集成。符合标准的另一个好处是我们可以利用标准IT网络布线，利用光纤技术通讯距离也不再是个限制。[page]

    满足未来发展需要 以太网目前是世界上最广泛部署的网络技术。尽管Firewire或USB这样的新网络技术的特性乍看起来更加诱人，但它们主要是为消费设备设计的，不能最佳地满足企业和工业环境的应用需求。

    易于使用 简单的布线和配置对于机器制造商十分重要。EPL网络可以使用直线、星形和树形等布线拓扑结构。与基于交换机的实时以太网系统不同，EPL不仅提供了极高的定时精度，而且还提供了适应项目需要的网络结构。支持多样的拓扑结构给设计院在设计过程中也带来了很大的便利，不用再担心控制站点的分布是否超出范围等等。

    无需定制硬件 除了100%标准以太网兼容外，EPL还只需使用标准的以太网芯片。在实现微秒级周期时间和精度时，设备制造商不需要采用专用ASIC芯片。因此在设备中使用EPL技术的厂商可以自由地利用他们选择的标准芯片厂商。这点使带有EPL接口的产品将更加的平易近人，得到用户方的接受。

    跨所有节点的信息交换 EPL允许信息在网络中任意两个或多个节点之间交换。与一些所有信息必须经过一台主设备的现场总线或以太网的模式不同，在使用EPL网络时，数据会被发送给网络中所有的节点。

    保护工作模式 在保护工作模式下，EPL能够管理抖动始终低于1微秒、最低200微秒的周期时间。利用桥接器或路由器将实时的网段与开放的IT网络分离，以避免网络冲突。通过桥接/路由器的接入保证了IT环境中网络的最大安全性。

    开放工作模式 在开放工作模式下，EPL协议用于开放交换网络，并且利用IEEE 1588提供定时同步。在实时网络与IT开放网络之间不需要进行隔离。但是，这种模式只适用于周期时间为毫秒级的低实时时或中实时要求的系统中。

四：后记

    基于以上的特点，我们在2003年项目初期就向设计方和业主方介绍了EPL技术，也得到了双方的一致认同。我们在主干网络以及各个现场控制中均设置了EPL网络,再利用B&R PCC系统本身在网络方面极好的融合能力，项目实施后得到了业主及设计院方的高度评价，EPL网络的使用，不仅投资上没有增加，还给后续的扩容及维护带来了很大的便利。由于项目实施时，仍处于EPL技术推广的初期，所以配套的仪器仪表、传感器产品还没有推向市场，EPL一线到底的优势并没有发挥完全，但目前来说，这一问题已经得到了很好的改观，我们在后续的项目中将很快使用上了带EPL接口的变频器以及其他的部分传感器。据悉，2008年初，Ethernet POWERLINK工业以太网顺利通过IEC国际标准；且EPSG组织也宣布将POWERLINK源代码开放，个人及厂商均可在网上下载到此技术的源代码，开发自己的POWERLINK产品；同时贝加莱公司也宣布EPL率先迈入千兆以太网时代；可以预见随着这一技术的不断发展，将出现越来越多的带有POWERLINK接口的产品，给用户带来的益处还是更可靠，更方便，更高效。

    附：组织背景： EthernetPOWERLINK标准化组织(EPSG)是一个独立的组织，由驱动和自动化行业的

    领袖企业创建于2003年。其宗旨是标准化并进一步研发POWERLINK。POWERLINK于2001年由贝加莱首先研发推出。高性能实时通信系统是IEEE802.3以太网标准协议的扩展，确保实时数据微秒级传输。EPSG同领先的标准化组织开展合作，如CAN自动化(CiA)及IEC。现由贝加莱控制事业部经理AntonMeindl先生担任EPSGCEO一职。