一、組織
國(guó)際EPSG組織
以太網(wǎng)POWERLINK標(biāo)準(zhǔn)化組織(EPSG)在2003年成立于瑞士，是一個(gè)民主結(jié)構(gòu)的獨(dú)立協(xié)會(huì)。其目的是為了POWERLINK技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、市場(chǎng)推廣和進(jìn)一步發(fā)展，POWERLINK技術(shù)第一次呈現(xiàn)于公眾面前是在2001年。POWERLINK是專利免費(fèi)，獨(dú)立于制造商和完全基于軟件的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。自2008年以來(lái)，是一種免費(fèi)開(kāi)放源代碼的解決方案。
EPSG基于柏林的POWERLINK辦公室，負(fù)責(zé)處理公共關(guān)系，協(xié)調(diào)共享項(xiàng)目實(shí)施，對(duì)現(xiàn)有和潛在成員提供技術(shù)和市場(chǎng)等信息。
組織結(jié)構(gòu)圖
成員收益
· 貿(mào)易展覽會(huì)
紐倫堡、漢諾威、帕爾馬、巴黎、上海... ，你可以利用這種遍布世界各地的機(jī)會(huì)，在EPSG的展位中展示你的產(chǎn)品。
· 路演
參加路演，可以在新產(chǎn)業(yè)中建立有價(jià)值的商業(yè)聯(lián)系。
· 網(wǎng)站
在EPSG的網(wǎng)站上，你可以用耀眼的技術(shù)展示公司和產(chǎn)品，吸引潛在客戶。
· 刊物
為EPSG刊物提供有趣的內(nèi)容，遍布世界各地的客戶一定會(huì)喜愛(ài)你。
· 技術(shù)報(bào)告/新聞稿
這種附加的支持也將為你增加公關(guān)效果。我們可以通過(guò)超過(guò)100種商業(yè)雜志– 幫你促銷公司的產(chǎn)品，為你帶來(lái)巨大的商業(yè)收益。
· 通訊
EPSG通訊可以作為一種在線平臺(tái)，告知全球的POWERLINK社區(qū)有關(guān)你的創(chuàng)新。
· 標(biāo)準(zhǔn)化和認(rèn)證
使用指定的工具，能有效地準(zhǔn)備產(chǎn)品認(rèn)證，這是一種優(yōu)勢(shì)，測(cè)試其是否符合POWERLINK連接的相關(guān)規(guī)范。由EPSG提供的認(rèn)證可確保市場(chǎng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。第一組認(rèn)證產(chǎn)品的公司將免費(fèi)成為EPSG成員。
中國(guó)POWERLINK組織結(jié)構(gòu)
POWERLINK中國(guó)用戶組織的組織架構(gòu)為理事會(huì)結(jié)構(gòu)，由成員大會(huì)、理事會(huì)、秘書(shū)長(zhǎng)與各工作組構(gòu)成，所有成員為該組織的最高權(quán)力機(jī)構(gòu)，理事會(huì)向成員大會(huì)負(fù)責(zé)，理事會(huì)成員由理事長(zhǎng)和副理事長(zhǎng)構(gòu)成，秘書(shū)長(zhǎng)由理事長(zhǎng)任命并領(lǐng)導(dǎo)日常各工作組的工作開(kāi)展，向理事會(huì)負(fù)責(zé)。
如何成為會(huì)員
· 哪些人可以成為會(huì)員?
成員可以是：
a).國(guó)內(nèi)商業(yè)企業(yè)、教育及研究機(jī)構(gòu)、硬件與軟件支持與服務(wù)企業(yè);
b).不隸屬于a)中的自然人和個(gè)人組織也可以成為會(huì)員。
c).來(lái)自國(guó)外的廠商，若原本為EPSG的成員，則無(wú)需另行加入中國(guó)用戶組織.
· 如何成為成員?
填寫(xiě)成員申請(qǐng)表;
傳真至POWERLINK中國(guó)用戶組織;
由理事會(huì)審核通過(guò)。
二、技術(shù)
“POWERLINK是在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上的CANopen”——這種描述有點(diǎn)簡(jiǎn)單，但它抓住了這一通信系統(tǒng)為用戶提供了不同協(xié)議打包的要點(diǎn)，但它沒(méi)有體現(xiàn)POWERLINK的實(shí)時(shí)能力。因而，正確的關(guān)于POWERLINK優(yōu)勢(shì)的評(píng)價(jià)需要了解一些CANopen和以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，這個(gè)單元我們將開(kāi)始介紹以太網(wǎng)協(xié)議自身的特性，這也將使我們更加容易了解之后技術(shù)介紹部分的特性描述。
· 以太網(wǎng)的靈活性和特征優(yōu)勢(shì)
因?yàn)榛谝蕴W(wǎng)的技術(shù)保留了以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，POWERLINK為用戶提供了更多的靈活性和特有的收益。
? 以太網(wǎng)協(xié)議的基本運(yùn)行及功能;
? OSI：一個(gè)描述傳輸層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)通信模型;
? 遵循OSI模型的以太網(wǎng);
? 以太網(wǎng)基礎(chǔ)：幀、通信和標(biāo)準(zhǔn)化;
? 用戶收益來(lái)自POWERLINK兼容標(biāo)準(zhǔn)。
· POWERLINK = CANopen + Ethernet
“POWERLINK是在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上的CANopen”，雖然這個(gè)描述有點(diǎn)簡(jiǎn)單，但它抓住了這一通信系統(tǒng)為用戶提供不同協(xié)議打包這一要點(diǎn)，還有就是它沒(méi)有體現(xiàn)POWERLINK的實(shí)時(shí)能力。因而，正確的關(guān)于POWERLINK優(yōu)點(diǎn)的評(píng)價(jià)需要了解一些CANopen和以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，這里我們將開(kāi)始介紹以太網(wǎng)協(xié)議自身的特性，這也將使得我們更加容易掌握之后技術(shù)介紹部分的特性描述，子單元中也將介紹CANopen基礎(chǔ)。
以太網(wǎng)協(xié)議描述了一個(gè)通過(guò)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，例如，大小、結(jié)構(gòu)、地址和數(shù)據(jù)包，像很多現(xiàn)場(chǎng)總線一樣，以太網(wǎng)只是定義了開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI)的兩個(gè)最低層，因此它可以用于對(duì)不同協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，依次定義了更高層，下圖描述了OSI模型的工作原理。
圖：POWERLINK與OSI模型
· 基于OSI模型的以太網(wǎng)
OSI是一個(gè)用于開(kāi)放信息處理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的通信模型，它是當(dāng)今許多通用數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的參考模型。這個(gè)模型將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)分為7層，每個(gè)層都建立在下面的基礎(chǔ)之上，作為一個(gè)例子，每層都可執(zhí)行在其協(xié)議上定義的任務(wù)。
第一層是物理層，或者說(shuō)是比特傳輸層，定義了傳輸介質(zhì)的電氣、機(jī)械和功能接口，上面的數(shù)據(jù)鏈路層通過(guò)偏差發(fā)現(xiàn)機(jī)制確保了終端設(shè)備和傳輸介質(zhì)正確的數(shù)據(jù)地址和可用的連接。為了簡(jiǎn)化的原因，這兩層在聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中稱為“物理層”，上面是第三和第四層，第三層“網(wǎng)絡(luò)層”，控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘和邏輯，第四層“傳輸層”，單元數(shù)據(jù)分配到應(yīng)用層，第五層、第六層和第七層稱為應(yīng)用層，由于所有的程序和應(yīng)用直接到他們。如我們已經(jīng)說(shuō)明的，以太網(wǎng)只是覆蓋了物理和數(shù)據(jù)鏈路層，之后，這使得不同的協(xié)議和訪問(wèn)不同的層，比如前面所說(shuō)的POWERLINK和CANopen，POWERLINK是物理層，定義了最低層，CANopen是應(yīng)用層，定義了最高層。
· 以太網(wǎng)幀
簡(jiǎn)單的說(shuō)，以太網(wǎng)幀(每個(gè)數(shù)據(jù)包的協(xié)議類型)由五個(gè)域構(gòu)成：源和目標(biāo)MAC地址，以太網(wǎng)類型域包含了一些控制信息，一個(gè)有效載荷(數(shù)據(jù))域，及一個(gè)差錯(cuò)校驗(yàn)幀。
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀最大長(zhǎng)度為1518位，包含至少46到1500位的有效載荷域。
· MAC編址
由于以太網(wǎng)的運(yùn)行很像廣播，因此它廣播的數(shù)據(jù)可以為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所接收，幀內(nèi)需要一個(gè)源和一個(gè)目標(biāo)地址以便可以定義發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)，這就是MAC編址，每個(gè)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上分配到一個(gè)唯一的地址，這是通過(guò)上層的軟件服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于中繼器和集線器僅僅傳輸數(shù)據(jù)，它們并不需要自己的地址，橋和交換機(jī)通常用于把網(wǎng)絡(luò)分為不同的域，也不需要MAC地址，因此，它們不是主動(dòng)通信。
所謂的管理型交換機(jī)是一個(gè)例外，這時(shí)交換機(jī)需要地址，因?yàn)樗峁┲苯拥脑L問(wèn)和監(jiān)控服務(wù)，在橋執(zhí)行樹(shù)形協(xié)議傳輸時(shí)，需要MAC地址，它將數(shù)據(jù)通過(guò)最短可能連接進(jìn)行路由，在一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)里，這個(gè)協(xié)議阻止了在同一個(gè)目標(biāo)里的幀復(fù)制和并發(fā)的到達(dá)，它也可以在數(shù)據(jù)失效時(shí)使用一個(gè)冗余網(wǎng)絡(luò)路徑。
· CSMA/CD
CSMA/CD(載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè))機(jī)制是依照IEEE802.3的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的關(guān)鍵組件，這個(gè)介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議通過(guò)提供載波偵聽(tīng)和沖突檢測(cè)的方式使得幾個(gè)站點(diǎn)可以訪問(wèn)同一個(gè)傳輸介質(zhì)，然而，這一特性不可避免的耽擱了數(shù)據(jù)的傳輸，不幸的是，其它的方法為了避免碰撞，例如采用交換機(jī)，也導(dǎo)致了非確定性的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。
· POWERLINK和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)
以上特性：以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)、編址系統(tǒng)和CSMA/CD機(jī)制是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的內(nèi)核，因此，它們也是遵循標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)POWERLINK協(xié)議的構(gòu)成部分，遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于消費(fèi)者意味著什么呢?
· 標(biāo)準(zhǔn)化兼容
一些工業(yè)組織介紹了把實(shí)時(shí)性增加到以太網(wǎng)協(xié)議的新技術(shù)，為了加速它們的系統(tǒng)，它們選擇了偏離標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的物理層介質(zhì)和訪問(wèn)機(jī)制，或者必須用特殊的硬件來(lái)傳輸以太網(wǎng)幀，或者以太網(wǎng)幀不遵循標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于這些系統(tǒng)，終端消費(fèi)者通常依靠所有權(quán)(由特定廠商持有專利權(quán))的硬件如ASIC，由特定的廠商提供。然而，如果以太網(wǎng)是一種開(kāi)放性的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用戶需要的是開(kāi)放的、無(wú)私有產(chǎn)權(quán)的實(shí)時(shí)應(yīng)用。為了采用純以太網(wǎng)技術(shù)，用戶將不可避免需要一個(gè)解決方案，例如POWERLINK，它使用純粹的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀，以達(dá)到：
? 一個(gè)可確保滿足苛刻時(shí)間要求的數(shù)據(jù)在一個(gè)極短、同步循環(huán)周期內(nèi)傳輸，并且可配置的響應(yīng)時(shí)間;
? 在微妙級(jí)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)高精度同步;
? 對(duì)非嚴(yán)格時(shí)間要求的數(shù)據(jù)在一個(gè)非同步通道內(nèi)傳遞。
POWERLINK的開(kāi)發(fā)者通過(guò)輪詢及時(shí)間槽機(jī)制擴(kuò)展以太網(wǎng)協(xié)議棧，沒(méi)有針對(duì)IEEE802.3進(jìn)行修改，因此，制造商和用戶可以依賴標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件，它們可以繼續(xù)保留標(biāo)準(zhǔn)芯片的應(yīng)用，設(shè)備和下部構(gòu)造的組件，以及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試和檢測(cè)系統(tǒng)，所有高層協(xié)議，基于IP的協(xié)議，如TCP、UDP及其它上層協(xié)議也可以無(wú)需修改仍可使用。
· POWERLINK遵循以下標(biāo)準(zhǔn)：
? IEEE 802.3快速以太網(wǎng);
? 基于IP協(xié)議(TCP、UDP等) EN50325-4;
? 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備描述文件：CANopen EN 50325-4;
? 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)芯片：無(wú)ASIC芯片;
? IEEE 1588實(shí)時(shí)同步。
關(guān)鍵特性
POWERLINK用于工業(yè)領(lǐng)域的主要特征-- POWERLINK融合了以太網(wǎng)和CANopen的特性。
結(jié)合以太網(wǎng)、CANopen和一些新開(kāi)發(fā)的應(yīng)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信協(xié)議棧，POWERLINK集成了三個(gè)不同領(lǐng)域的特性和能力。第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是POWERLINK保留了與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)最近的距離，保留了原始的以太網(wǎng)特性，并且降低了工業(yè)以太網(wǎng)的開(kāi)發(fā)成本;第二個(gè)優(yōu)勢(shì)在于集成了CANopen技術(shù)，一個(gè)魯棒性非常好并且在自動(dòng)化領(lǐng)域被大量采用的協(xié)議，這大大地簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的部署和擴(kuò)展。第三個(gè)優(yōu)勢(shì)是POWERLINK的成功在于它是由EPSG開(kāi)發(fā)的，POWERLINK協(xié)議棧強(qiáng)化了實(shí)時(shí)能力，引領(lǐng)PLC和組件制造商團(tuán)隊(duì)組織一起共同來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)技術(shù)項(xiàng)目，結(jié)果是增加了大量的附加值，擴(kuò)展了成功的范圍，例如，面向安全技術(shù)的POWERLINK Safety技術(shù)，高可靠性和管理節(jié)點(diǎn)冗余技術(shù)。
三、應(yīng)用
1、更快的總線，更快的汽車(chē)
過(guò)去的20年里，CAN總線協(xié)議業(yè)已成為汽車(chē)工業(yè)的核心通信技術(shù)，這是一個(gè)具有高可靠性和魯棒性的協(xié)議，但它最大傳輸波特率只有 1MBps，對(duì)于今天的應(yīng)用而言顯然太慢了。因?yàn)檫@一限制，很多重要的信息仍需通過(guò)機(jī)械方案來(lái)傳遞 -- 不僅昂貴并且缺乏智能。為了能夠用一種合適的方法來(lái)改善這一成熟技術(shù)，人們投入很多努力到眾所周知的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)上，目的在于尋找一種更為適用于學(xué)生方程式賽車(chē)的協(xié)議，結(jié)果就在 POWERLINK，一個(gè)主從通信方案，它能夠在汽車(chē)內(nèi)部實(shí)時(shí)處理各個(gè)獨(dú)立的從站間的信息交換。
學(xué)生方程式(Formula Student)
學(xué)生方程式是一場(chǎng)由學(xué)生設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的單座賽車(chē)比賽，已經(jīng)有超過(guò) 10 年的歷史了，這一個(gè)競(jìng)賽每年在全球舉行，學(xué)生相互競(jìng)爭(zhēng)--不僅在賽車(chē)道上，也在相關(guān)設(shè)計(jì)和市場(chǎng)上，并由一個(gè)專家組進(jìn)行評(píng)估。不同團(tuán)隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)于不同的產(chǎn)品類。在這種方式中，嚴(yán)重的設(shè)計(jì)缺陷必須在生產(chǎn)之前由基礎(chǔ)的概念設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)。最初，主要集中在機(jī)械上;今天，為了在競(jìng)爭(zhēng)中取得領(lǐng)先地位，電氣扮演更為重要的角色。
丹麥南方大學(xué)的學(xué)生方程式
在丹麥南方大學(xué)，F(xiàn)ormula Student 項(xiàng)目始建立于 2006 年?，F(xiàn)在，這個(gè)團(tuán)隊(duì)由機(jī)械和電氣學(xué)生組成。機(jī)械工程師的工作在于構(gòu)建一個(gè)架構(gòu)，包括汽車(chē)的操控和懸掛系統(tǒng)，而電氣工程師則聚焦在電氣單元?？偟乃悸肥莿?chuàng)造一個(gè)分布式架構(gòu)，使其能在汽車(chē)內(nèi)部廣泛使用，極端的應(yīng)用是使用獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)控制每個(gè)氣缸，協(xié)調(diào)各個(gè)減速箱在各個(gè)節(jié)點(diǎn)需要一個(gè)高速響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。
圖：POWERLINK 在賽車(chē)汽車(chē)電子網(wǎng)絡(luò)中的新理念
傳統(tǒng)且具有良好驗(yàn)證的 CAN 總線是汽車(chē)工業(yè)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)代技術(shù)對(duì)于波特率和同步性的需求導(dǎo)致了對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)協(xié)議的研發(fā)，POWERLINK 建立了適應(yīng)于汽車(chē)的分布式網(wǎng)絡(luò)，主要的優(yōu)勢(shì)在于使用了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的物理層芯片，這使得它無(wú)需使用特殊的硬件。它允許以太網(wǎng)技術(shù)更新升級(jí)獲得應(yīng)用，項(xiàng)目經(jīng)理卡斯滕?霍姆?安德森說(shuō)道。
POWERLINK 還提供了更為靈活的應(yīng)用拆分，使應(yīng)用可以拆分成任意數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)仍然能夠保持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，對(duì)象字典提供了各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換接口，這也定義了 POWERLINK 標(biāo)準(zhǔn)。
同樣，POWERLINK 節(jié)點(diǎn)的規(guī)模也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)需要適應(yīng)汽車(chē)的各個(gè)部分，這對(duì)于保持最少接線至關(guān)重要。
方案如何實(shí)現(xiàn)
一年里，學(xué)生們開(kāi)發(fā)了減速箱、離合器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、儀表盤(pán)和數(shù)據(jù)記錄器，并且通過(guò) POWERLINK 來(lái)連接這幾個(gè)單元，賽車(chē)的 POWERLINK 接口設(shè)計(jì)成一個(gè)極為靈活的通信平臺(tái)。POWERLINK 方案在 FPGA 上實(shí)現(xiàn)，部分運(yùn)行在 Plain Logic 和軟核處理器上。因?yàn)镕PGA的速度和性能，非常適合于這樣的應(yīng)用。用戶應(yīng)用也可以運(yùn)行在同一 FPGA 的第二個(gè)軟核處理器上，或者在 FPGA 外的微處理器、另一個(gè) FPGA 、甚至在一個(gè) PC 上，一個(gè)額外的集線器可以集成在電路里，具有非常高的接線靈活性。
圖：POWERLINK 一個(gè)主站和兩個(gè)從站確保了在汽車(chē)內(nèi)部的實(shí)時(shí)通信
SDU 海盜賽車(chē)團(tuán)隊(duì)
2009 年 7 月，SDU 海盜賽車(chē)團(tuán)隊(duì)使用這種賽車(chē)參加了兩次比賽，他們贏得了“汽車(chē)領(lǐng)域內(nèi)最具創(chuàng)新的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用”這一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。
2. POWERLINK 助阿爾斯通電力實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化
ALSPAControlplant是阿爾斯通(Alstom)專為能源應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的電廠控制與自動(dòng)化系統(tǒng)，由于該領(lǐng)域要求系統(tǒng)具有極高的可靠性和可用性，因此阿爾斯通決定使用高度分布式的系統(tǒng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)也就成為了該控制系統(tǒng)的一個(gè)核心部分。
除了 Modbus TCP 之外，阿爾斯通選擇了以太網(wǎng)POWERLINK 作為其控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線。在完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，阿爾斯通需要對(duì) POWERLINK 技術(shù)的一些主要特性做一番全面了解。在得出 POWERLINK 最重要的特點(diǎn)是冗余之后，公司就將其作為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)加以使用。這一具有冗余功能的確定性網(wǎng)絡(luò)為電廠自動(dòng)化的開(kāi)閉環(huán)控制提供了高水平的可用性。
多年來(lái)，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在管理運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。由POWERLINK 現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于成熟且標(biāo)準(zhǔn)化的以太網(wǎng)技術(shù)，該以太網(wǎng)擁有眾多優(yōu)勢(shì)：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，成本低廉，便于維護(hù)，性能很高，減少了自主方案容易過(guò)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。
針對(duì)能源管理業(yè)務(wù)，阿爾斯通推出了一套控制系統(tǒng)，并將其命名為 ALSPA。阿爾斯通的 ALSPA CONTROPLANT DCS 系統(tǒng)主要針對(duì)電廠控制與自動(dòng)化市場(chǎng)。
· ALSPA
基于特定硬件組件和標(biāo)準(zhǔn)通信網(wǎng)絡(luò)的 ALSPA 系統(tǒng)含有靈活且開(kāi)放的分布式系統(tǒng)架構(gòu)。ALSPA 產(chǎn)品系列支持電廠運(yùn)行的眾多核心功能，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在系統(tǒng)擁有多重安全和可用性特點(diǎn)，如自測(cè)試、控制器和通信系統(tǒng)冗余、時(shí)間同步和時(shí)間戳精度為 1ms、容錯(cuò)以及控制室設(shè)備掉電時(shí)系統(tǒng)繼續(xù)自主運(yùn)行等。ALSPA 產(chǎn)品系列可用于 DCS 系統(tǒng)(熱電、水電、核電等)及電廠設(shè)備控制，針對(duì)電廠設(shè)備主要包括下列控制產(chǎn)品：
o ALSPA 現(xiàn)場(chǎng)控制器;
o 鍋爐保護(hù)和控制管理系統(tǒng)：Controflame;
o 蒸汽輪機(jī)控制器：Controsteam;
o 燃?xì)廨啓C(jī)控制器：Controgas;
o 發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)和勵(lì)磁控制器：Controgen。
該控制系統(tǒng)圍繞三方面組件構(gòu)筑而成：
o 帶軟件和硬件的控制室人機(jī)界面(HMI);
o 工程管理工具，對(duì)整個(gè)電廠進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃與設(shè)計(jì)，包括：DCS 系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)以及采用單點(diǎn)接入與唯一數(shù)據(jù)庫(kù)的仿真裝置。
所有這些組件都是通過(guò)快速以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)(見(jiàn)圖 1)。
ALSPA 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)
操作層主要位于控制室，因此工業(yè)制約因素較少，一般采用標(biāo)準(zhǔn)快速以太網(wǎng)作為交換網(wǎng)絡(luò)。
控制層是基于成熟的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，連接 DCS 系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)。容錯(cuò)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確保了系統(tǒng)具有高可用性。由于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)采用IP協(xié)議(TCP/IP 和 UDP/IP 協(xié)議)，因此它無(wú)需確定性?？刂茖拥臄?shù)據(jù)傳輸速率為 100Mbits/s 或 1Gbits/s，采用光纖電纜或銅質(zhì)電纜。現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)位于現(xiàn)場(chǎng)層，因此制約因素也最為苛刻。在現(xiàn)場(chǎng)層中互聯(lián)的設(shè)備通常具有很高的可用性要求，因而需要有冗余功能和一個(gè)高可靠性的網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖 2)。
現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)演變?yōu)榛谝蕴W(wǎng)的解決方案
日新月異的電力市場(chǎng)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高的要求，基于高速以太網(wǎng)的全新技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。阿爾斯通在眾多工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)中選擇了兩項(xiàng)技術(shù)，一項(xiàng)無(wú)任何確定性限制，而另一項(xiàng)則擁有極高的實(shí)時(shí)確定性要求。經(jīng)過(guò)了廣泛的選擇之后，阿爾斯通決定采用 Modbus TCP 作為非確定性現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。Modbus TCP 因其對(duì)第三方設(shè)備具有廣泛開(kāi)放性得以入選。
由于確定性實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)需要使用分布式 I/O，因此實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)要求簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)，集中處理單元控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)，降低系統(tǒng)安裝、維護(hù)和組態(tài)成本。此外，確定性實(shí)時(shí)以太網(wǎng)還要求通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間戳的時(shí)間同步功能，無(wú)需特定的外部電纜就能將同步數(shù)據(jù)和信號(hào)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)控制器。
確定性實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)：選擇 POWERLINK 作為現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的原因
如果說(shuō)非確定性網(wǎng)絡(luò)的選擇是容易而又自然的話，那么確定性實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的選擇就顯得相對(duì)復(fù)雜。阿爾斯通對(duì)現(xiàn)有硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，希望該技術(shù)能夠滿足下列要求：
o 開(kāi)放且獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)，基于標(biāo)準(zhǔn)組件;
o 市場(chǎng)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案;
o 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備和組件降低成本;
o 基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng);
o 從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全球推廣中獲益;
o 基于所有最新通信協(xié)議的通用解決方案;
o 無(wú)特殊硬件要求;
o 成熟可靠的安全通信技術(shù);
o 電廠控制系統(tǒng)從成熟可靠的通信解決方案中獲益;
o 高性能的安全以太網(wǎng)協(xié)議(滿足安全等級(jí) SIL3);
o 高確定性實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò);
o 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸速率為 100Mbits/s;
o 通信網(wǎng)絡(luò)確保確定性和實(shí)時(shí)性;
o 確定性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)傳輸。
一般而言，電廠往往需要運(yùn)行幾十年，這導(dǎo)致技術(shù)的長(zhǎng)期可用性成為了一項(xiàng)非常重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)，因此基于以太網(wǎng)的解決方案應(yīng)該具有一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的生命周期。為了完成這一目標(biāo)，最為安全的方法就是選擇一項(xiàng)基于標(biāo)準(zhǔn)硬件的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。當(dāng)然，預(yù)想依靠一家供應(yīng)商或一項(xiàng)使用十年就淘汰的技術(shù)是不可能的。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究、建模和仿真分析后，阿爾斯通最終選擇了 POWERLINK 作為其控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。
全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
由于現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)采用了 POWERLINK，因此整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)完全基于成熟和標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)。這一獨(dú)特的基于全以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擁有眾多優(yōu)點(diǎn)。首先，它使用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和協(xié)議(TCP和UDP/IP 協(xié)議)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。其次，即使在某些情況下出于對(duì)有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(交換機(jī)和集線器)的需要從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)本身的價(jià)格十分昂貴，分布式系統(tǒng)架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及協(xié)議、減少布線(只有以太網(wǎng)和總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備同步運(yùn)行也能大大減低網(wǎng)絡(luò)的總成本。然后，這一充分基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)增加了性能更高的運(yùn)行及維護(hù)設(shè)施。最后，使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)可以遵循以太網(wǎng)不斷發(fā)展的軌跡，而且可以從整個(gè)以太網(wǎng)用戶團(tuán)體的研發(fā)投資行為中獲益而無(wú)需增加額外的研發(fā)成本。
POWERLINK 是一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)組件的純軟件解決方案，它在與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備的完全兼容性方面擁有顯著優(yōu)勢(shì)。例如，其中的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是，它允許使用光纖技術(shù)訪問(wèn)遠(yuǎn)程設(shè)備(幾公里外)，光纖網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是它可以架設(shè)在電磁干擾區(qū)。
阿爾斯通推動(dòng) POWERLINK 發(fā)展：高可用性
阿爾斯通一直以來(lái)都在推廣 POWERLINK 技術(shù)，希望其“高可用性”技術(shù)特色成為一項(xiàng)以太網(wǎng)POWERLINK的標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng) POWERLINK 標(biāo)準(zhǔn)化組織( EPSG ， Ethernet POWERLINK Standardization Group)的開(kāi)放性使阿爾斯通得以長(zhǎng)期以來(lái)分享該專業(yè)技術(shù)并將其應(yīng)用于高可用性的控制系統(tǒng)中。因此，“高可用性”技術(shù)工作組由阿爾斯通牽頭成立，目標(biāo)就是針對(duì) POWERLINK 中的“高可用性”技術(shù)特色進(jìn)行發(fā)布。其中最重要的一項(xiàng)要求是，在不修改目前 POWERLINK 規(guī)范的前提下維持這一技術(shù)與現(xiàn)有設(shè)備完全兼容。該技術(shù)工作組順利完成了這項(xiàng)目標(biāo)，并將“高可用性”添加到現(xiàn)有 POWERLINK 技術(shù)的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。
這樣，阿爾斯通就能利用具有高可用性的 POWERLINK 網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)電廠運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)化控制了。確實(shí)，萬(wàn)一控制硬件發(fā)生故障或電纜損壞時(shí)，一些關(guān)鍵的應(yīng)用程序必須確保安全，防止功能中斷。如果一臺(tái)帶控制功能的 IPC 中斷運(yùn)行，那么另一個(gè)控制單元需要立即“注意”到故障，并承擔(dān)起繼續(xù)運(yùn)行的任務(wù)從而避免延誤運(yùn)行造成的風(fēng)險(xiǎn)。由阿爾斯通實(shí)現(xiàn)的冗余功能可以輕松完成本地化故障檢測(cè)，避免數(shù)據(jù)丟失(無(wú)循環(huán)時(shí)間損失，無(wú)需重置時(shí)間)。
POWERLINK 技術(shù)的高可用性已經(jīng)通過(guò)一種先進(jìn)的模型檢驗(yàn)方法得到了驗(yàn)證。在完成了所有的模型建立和技術(shù)開(kāi)發(fā)之后，為了確認(rèn)計(jì)算結(jié)果，阿爾斯通進(jìn)入了密集的仿真分析階段。仿真分析還可以測(cè)試系統(tǒng)在一系列關(guān)鍵場(chǎng)景下的系統(tǒng)功能性。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期深入的驗(yàn)證階段之后，阿爾斯通確定了控制系統(tǒng)具有高可用性，系統(tǒng)隨即便投入了運(yùn)行。
結(jié)論
阿爾斯通通過(guò)把 POWERLINK 技術(shù)集成到現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中，已經(jīng)證明了在電廠控制系統(tǒng)中使用工業(yè)以太網(wǎng)的眾多優(yōu)勢(shì)。他們非常高興地看到 POWERLINK 標(biāo)準(zhǔn)的誕生并且對(duì)此充滿信心，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)具備所有關(guān)鍵過(guò)程控制所必需的技術(shù)品質(zhì)。
隨著最近宣布開(kāi)源 POWERLINK 解決方案(openPOWERLINK)的技術(shù)發(fā)布，阿爾斯通深信這將推動(dòng)越來(lái)越多的第三方設(shè)備制造廠商采用這項(xiàng)技術(shù)。
高度分布的控制系統(tǒng)架構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)視為系統(tǒng)的核心，這就是為什么系統(tǒng)需要采用高性能以太網(wǎng)的原因，而且基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備是一項(xiàng)基本選擇。此外，阿爾斯通所提供的系統(tǒng)必須是標(biāo)準(zhǔn)的、成熟的和可靠的。
通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，阿爾斯通獲得了更多的專業(yè)技術(shù)，同時(shí)也將推動(dòng)進(jìn)一步的技術(shù)開(kāi)發(fā)。此外，整個(gè) POWERLINK 用戶團(tuán)體也將從中獲益，因?yàn)?EPSG 已經(jīng)將一些新的功能標(biāo)準(zhǔn)化，且向所有人開(kāi)放。就目前來(lái)說(shuō)，利用以太網(wǎng)技術(shù)不僅是一項(xiàng)技術(shù)突破，而且還可以確保面向未來(lái)的投資行為不斷推進(jìn)。
