イーサネットパワーリンク

Ethernet Powerlink は、標準Ethernet用のリアルタイム プロトコルです。これは、Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG) によって管理されているオープン プロトコルです。2001年に オーストリアのオートメーション企業B&Rによって導入されました。

このプロトコルは、イーサネット ケーブルまたはPower over Ethernet (PoE)、電力線通信、またはBang & Olufsenの PowerLink ケーブルを 介した電力配分とは関係ありません。

Ethernet Powerlink は、ポーリングとタイムスライスの混合メカニズムで Ethernet を拡張します。これにより、次のことが実現されます。

• 応答時間を設定可能な非常に短い等時周期で、時間的に重要なデータを転送することを保証
• ネットワーク内のすべてのノードの時刻をサブマイクロ秒単位の高精度で同期
• 予約された非同期チャネルでの、時間的にそれほど重要でないデータの送信

最新の実装では、サイクル時間は 200 μs 未満、時間精度 (ジッター) は 1 μs 未満に達します。

Powerlink は Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG) によって標準化され、2003 年 6 月に独立した団体として設立されました。ワーキング グループは、安全性、テクノロジ、マーケティング、認証、エンド ユーザーなどのタスクに重点を置いています。EPSG は、CAN in Automation ( CiA ) グループや IEC などの標準化団体や団体と協力しています。

最初に指定された物理層は 100BASE-TXファスト イーサネットでした。2006 年末以降、ギガビット イーサネットを備えた Ethernet Powerlink は、10 倍の伝送速度 (1,000 Mbit/s) をサポートするようになりました。

遅延とジッタを最小限に抑えるには、リアルタイムドメイン内でスイッチの代わりにハブをリピートすることが推奨されます。^[1] Ethernet Powerlink は、産業用ネットワークのクリーンな配線に IAONA の産業用 Ethernet 計画およびインストール ガイドを使用しており、産業用 Ethernet コネクタ8P8C (一般に RJ45 として知られています) と M12 の両方が受け入れられます。

標準の Ethernetデータ リンク層は、追加のバス スケジューリング メカニズムによって拡張され、一度に 1 つのノードだけがネットワークにアクセスしていることが保証されます。スケジュールは、アイソクロナス フェーズと非同期フェーズに分かれています。アイソクロナス フェーズでは、タイム クリティカルなデータが転送され、非同期フェーズでは、タイム クリティカルでないデータの送信用に帯域幅が提供されます。管理ノード (MN) は、専用のポーリング要求メッセージを介して物理メディアへのアクセスを許可します。その結果、一度に 1 つのノード (CN) だけがネットワークにアクセスできるため、スイッチ以前の古い Ethernet ハブで発生していた衝突が回避されます。非スイッチ型 Ethernet のCSMA /CD メカニズムは、非決定論的な Ethernet 動作を引き起こしましたが、Ethernet Powerlink スケジューリング メカニズムによって回避されます。

システムの起動が完了すると、リアルタイム ドメインはリアルタイム条件下で動作します。基本サイクルのスケジュールは、管理ノード (MN) によって制御されます。全体のサイクル時間は、アイソクロナス データ、非同期データの量、および各サイクル中にポーリングされるノードの数によって異なります。

基本的なサイクルは次のフェーズで構成されます。

• 開始フェーズ: 管理ノードはすべてのノードに同期メッセージを送信します。フレームは SoC (Start of Cycle) と呼ばれます。
• アイソクロナス フェーズ: 管理ノードは、Preq (ポーリング要求) フレームを送信して、プロセスまたはモーション制御のためのタイム クリティカルなデータを転送するよう各ノードに要求します。宛先ノードは、Pres (ポーリング応答) フレームで応答します。このフェーズでは、他のすべてのノードがすべてのデータをリッスンするため、通信システムはプロデューサーとコンシューマーの関係を提供します。

Preq-n と Pres-n を含む時間枠は、アドレス指定されたノードのタイムスロットと呼ばれます。

• 非同期フェーズ: 管理ノードは、SoA (非同期の開始) フレームを送信して、特定のノードにアドホック データを送信する権限を付与します。アドレス指定されたノードは、ASnd で応答します。このフェーズでは、標準の IP ベースのプロトコルとアドレス指定を使用できます。

リアルタイム動作の品質は、全体的な基本サイクル時間の精度に依存します。すべてのフェーズの合計が基本サイクル時間の境界内に収まる限り、個々のフェーズの長さは変化します。基本サイクル時間の順守は、管理ノードによって監視されます。アイソクロナス フェーズと非同期フェーズの期間は設定できます。

図 1: タイムラインより上のフレームは MN によって送信され、タイムラインより下のフレームは別の CN によって送信されます。

図2: ノードのタイムスロットと非同期タイムスロット

帯域幅最適化のための多重化

各基本サイクル中にアイソクロナス データを転送するだけでなく、一部のノードは帯域幅をより有効に活用するために転送スロットを共有することもできます。そのため、アイソクロナス フェーズでは、基本サイクルごとにデータを送信する必要のある特定のノード専用の転送スロットと、異なるサイクルでデータを次々に転送するためにノードが共有するスロットを区別できます。したがって、重要度は低いが時間的に重要なデータは、基本サイクルよりも長いサイクルで転送できます。各サイクル中のスロットの割り当ては、管理ノードの裁量で行われます。

図 3: EPL 多重化モードでのタイムスロット。

投票応答の連鎖

主にロボット工学アプリケーションや大型の上部構造に使用されるモードです。フレーム数が少なく、データ分散が優れているのが特長です。

現在、機械、プラント、安全システムは、ハードウェアベースの安全機能で構成された厳格なスキームに縛られています。その結果、コストのかかる配線と限られた診断オプションが発生します。解決策は、安全関連アプリケーション データを標準シリアル制御プロトコルに統合することです。OpenSAFETYは、パブリッシュ/サブスクライバ通信とクライアント/サーバ通信の両方を可能にします。安全関連データは、標準通信メッセージ内の埋め込みデータ フレームを介して送信されます。体系的または確率的なエラーによる検出されない障害を回避するための対策は、機能安全プロトコルの不可欠な部分です。OpenSAFETY はIEC 61508に準拠しています。このプロトコルはSIL 3の要件を満たしています。エラー検出技術は、既存のトランスポート層に影響を与えません。

• 機械安全戦術概要 (2012)、「機械安全」(PDF)、Automation World 、 2012-09-07 にオリジナル(PDF)からアーカイブ、2012-08-23に取得

• Humphrey, David (2012)、openSAFETY Initiative は産業安全プロトコルの統一を目指す、米国: ARC Advisory Group、2012-08-17 にオリジナルからアーカイブ

• 「POWERLINK が中国で国家標準を受賞」、Control Engineering Asia、2012 年、2013 年 1 月 19 日にオリジナルからアーカイブ

• 「DDASCA コンソーシアムが openSAFETY を標準として定義」、Automation.com、2012 年

• ゼズルカ、F.ヒンシカ、o. (2008)、「Průmyslový Ethernet VIII: Ethernet Powerlink、Profinet」(PDF)、Automa、5 : 62–66

• どのイーサネット システムが適切か?、Control Engineering Europe、2009

• ethernet-powerlink.org Ethernet POWERLINK 標準化グループのウェブサイト
• sourceforge.net/projects/openpowerlink オープンソーススタック

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