隨著工業(yè)自動(dòng)化對(duì)信息傳輸速度和數(shù)據(jù)量、系統(tǒng)控制精度、分布式控制要求的不斷提高，尤其是對(duì)實(shí)時(shí)性提出了很高的要求，傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的一些不足制約了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展，因此誕生一些基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線，例如，Powerlink、EtherNet/IP、ModBusTCP、ProfinetRT、EtherCat、Mechatrolink等這些工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的技術(shù)。

  其中，Powerlink由奧地利貝加菜(B&R)公司推出后，貝加菜、ABB、Hikechmann、Kuka、Lenze等數(shù)十家企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)聯(lián)合成立了EPSG(Ethemet Poverlink Standardion Group，以太網(wǎng)Powerlink標(biāo)準(zhǔn)化組織)。Powerlink是一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)的、高性能的、開放的、沒有壟斷的、真正的互連互通的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。2012年3月，Powerlink協(xié)議被國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)為首個(gè)中國(guó)國(guó)家推薦性工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB/T27960—2011，這意味著Powerlink這一全球范圍廣泛使用的實(shí)時(shí)通信技術(shù)得到了中國(guó)官方的認(rèn)同和支持。

  1.工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性

  實(shí)時(shí)性是指能夠在限定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對(duì)外部的異步事件做出響應(yīng)的能力。工業(yè)控制要求控制系統(tǒng)對(duì)所監(jiān)控的輸入在一定時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求很大程度上依賴于特定的應(yīng)用，不同 實(shí)時(shí)級(jí)別應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求可以劃分為四個(gè)級(jí)別。實(shí)時(shí)性能的四個(gè)級(jí)別如圖2.29所示。

圖2.29 實(shí)時(shí)性能的四個(gè)級(jí)別

  對(duì)于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)性要求網(wǎng)絡(luò)通信必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，且在時(shí)間上可以預(yù)測(cè)。為了滿足工業(yè)控制對(duì)時(shí)限的要求，通常采用具有確定性的、有限排隊(duì)延遲的專用實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域，為了滿足高實(shí)時(shí)性應(yīng)用的要求，各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的技術(shù)解決方案，將以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間提高到低于1ms，從而誕生了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。

  2.工業(yè)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線的分類與比較

  工業(yè)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線從性能上分為高實(shí)時(shí)總線和低實(shí)時(shí)總線兩類。

  高實(shí)時(shí)性的總線Powerlink，EtherCat，Mechatrolink，其中Powerlink實(shí)際的實(shí)時(shí)性能最高為100μs的循環(huán)周期，EtherCat 實(shí)際的實(shí)時(shí)性能最高為250μs的循環(huán)周期。在這三種總線中EtherCat 和Mechatrolink需要用專用的ASIC才能實(shí)現(xiàn)，之所以采用ASIC芯片來實(shí)現(xiàn)是為了能夠控制市場(chǎng)。另外，由于EtherCat和Mechatrolink只解決了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，用戶需要自己實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層。又由于不同用戶實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用層可能不同，就會(huì)造成同樣基于EtherCat的設(shè)備不能相互通信。Powerlink是在普通以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)的方案，無須ASIC芯片，用戶可以在各種平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)Powerlink，例如，F(xiàn)PGA、ARM、x86CPU等，可以說，只要有以太網(wǎng)的地方，就可以實(shí)現(xiàn)Powerlink。Powerlink公開了所有的源碼，任何人都可以免費(fèi)下載和使用(就像Linux)。Powerlink的源碼里包含了物理層(標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng))、數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)、應(yīng)用層(CANopen)三層完整的代碼，用戶只需將Powerlink的程序在已有的硬件平臺(tái)上編譯運(yùn)行即可。

  低實(shí)時(shí)性的總線EtherNet/IP，ModBusTCP，ProfinetRT。這三種總線可以用普通的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，但是它們基本上是對(duì)TCP/IP協(xié)議的修改或補(bǔ)充，沒有從根本上解決實(shí)時(shí)的需求。