Ethernet POWERLINK

Ethernet POWERLINK (conegut també en l'acrònim EPL) és un protocol de comunicació en temps real basat en hardware estàndar Ethernet.

El seu principi de funcionament fa que el POWERLINK siga apte para aplicacions d'automatisació industrial a on varis elements de control (autómates, pantalles d'operador, mòduls d'I/S, variadors de freqüència, servocontroladorés, mòduls de seguritat, sensors etc.) tinguen que comunicar entre ells de forma ràpida, isócrona i sobretot precisa (és dir minimisant el temps de latencia de la ret), garantisant des d'luego que el procés de comunicació siga fiable i repetitiu. POWERLINK no és un hardware, és un software que funciona sobre un hardware estàndar.

Funcionament

Ethernet POWERLINK en el model OSI.

En una ret Ethernet TCP/IP cada nodo decidix de forma autònoma quan escriure senyes en la ret. Esta “anarquia” és una possible causa de colisions: si dos (o més) estacions decidixen al mateix temps accedir a la ret es genera una colisió. Per a evitar-la, existix un mecanisme cridat CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) que fa que les estacions retarden el seu intent i tornen a intentar a escriure en la ret despuix d'un temps aleatori. Esta forma d'actuar comporta una desventaja: és impossible prevore en certea quan (o dins que determini de temps) aplegarà l'informació que s'està esperant. En casos extrems (molt hipotètics pero no impossibles) esta podria no aplegar mai.

Una funcionalitat d'este tipo resulta inacceptable en automatisació industrial, a on és fonamental poder contar en una comunicació fiable, repetitiva, ràpida, sincronisada i sense retarts.

En Ethernet POWERLINK no hi ha colisions, en quant tot està regulat per un nodo manager (MN – Managing Node) que gestiona la comunicació entre els varis nodos de control (CN – Control Node). El MN sincronisa tots els CN entre ells per mig d'una senyal de rellonge que es repetix en una precisió inferior a 100 ns (temps de latencia), i que constituïx el temps de cicle. Durant cada cicle, el MN envia a cada CN una petició d'enviament de les seues senyes (Poll Request). Els CN contesten immediatament a les peticions (Poll Response) enviant les seues senyes a la ret de forma broadcast per a que tots els demés CN (i el mateix MN) els puguen escoltar sense que el MN tinga que fer de passarela.

Més en detalle, un cicle de comunicació de POWERLINK consta de tres fases:

1. durant el Start Period el MN envia un Start of Cycle (SoC) a tots els CN per a sincronisar-los.
2. el segon periodo (Cyclic Period) servix per a l'intercanvi isócrono de les senyes entre els nodos de la ret.
3. finalment l'últim periodo està reservat per a la transmissió de senyes asíncronos que no són crítics en el temps (Acyclic Period).

Model del mecanisme clave-slot. Un cicle de comunicació consta d'una part en temps real en peticions directes (Poll Request), respostes dels nodos (Poll Response) i una part asíncrona per a les senyes no cíclicos i no crítics.

Este mecanisme, cridat SCNM (Slot Communication Network Management), permet alcançar temps de cicles de pocs centenars de microsegons, durant els quals vàries estacions tenen la possibilitat d'enviar a la ret les seues senyes.

Ademés este sistema admet també la transmissió de senyes asíncronos (per eixemple trames TCP/IP encapsuladas o senyes de servici, diagnòstic, debug) durant el mateix temps de cicle.

Esta taula índica el número d'estacions que poden comunicar-se en un temps de cicle:

Temps de cicle	N.º nodos*
200 µs	9
400 µs	21
800 µs	45

(*)Trames de 46 byte/nodo, topología arbre

Nodos multiplexados

Eixemple de comunicació en POWERLINK a on les estacions 1, 2 i 3 tenen prioritat màxima i envien senyes cada cicle. Les estacions de 4 a 10 compartixen 3 slots de comunicació i envien les seues senyes solament cada 3 cicles de comunicació.

POWERLINK preveu també la possibilitat de multiplexar els nodos de més baixa prioritat, en la finalitat d'optimisar la comunicació.

Per eixemple, si en una ret hi ha un eix mestre M1 que té que enviar la seua posició i la seua velocitat a tres eixos esclaus S1, S2 i S3, és important que este vaig enviar les seues senyes cada cicle de comunicació; l'informació proporcionada pels esclaus té prioritat més baixa i pot ser més llenta. Per açò és possible configurar el bus de manera que els tres esclaus d'este eixemple compartixquen alternativament el mateix slot de comunicació.

La comunicació resulta llavors:

• Cicle i: el mestre M1 envia les seues senyes (posició, velocitat, estat etc); l'esclau S1 també. Els esclaus S2 i S3 no envien res.
• Cicle i+1: el mestre M1 i l'esclau S2 envien les seues senyes; els esclaus S1 i S3 no envien res.
• Cicle i+2: el mestre M1 i l'esclau S3 envien les seues senyes; els esclaus S1 i S2 no envien res.
• Cicle i+3: igual que el cicle i.

Redundància

Redundància d'anell.

Redundància de cable.

Redundància de nodo manager.

POWERLINK admet redundància de cable, d'anell i/o de nodo manager ¡?

Topología

Topología admeses per POWERLINK.

POWERLINK admet topología a estrela, a arbre o en cascada.

Compatibilitat en atres protocols

POWERLINK integra al 100% les trames de CANopen, pot encapsular paquets TCP/IP en el slot asíncrono de la seua comunicació.

Història

• 1999-2001: l'empresa austríaca Bernecker & Rainer (B&R) desenrolla Ethernet POWERLINK.
• Nov. 2001: B&R presenta Ethernet POWERLINK al mercat.
• Apr. 2002: B&R decidix fer públic el protocol Ethernet POWERLINK.
• Nov. 2002: es funda el consorci Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG) en la finalitat de reunir fabricants i usuaris de POWERLINK interessats en millorar conjuntament esta tecnologia; president del consorci és l'universitat suïssa de Zuric (ZHW - Zürcher Hochschule Winterthur), una entitat sense ànim de lucre que garantisa que els desenrolls no siguen guiats o manipulats pels interessos particulars de cap empresa.
• Feb. 2003: ZHW escomença a oferir servicis de consultoria sobre Ethernet POWERLINK per a aquelles empreses que vullguen implementar el protocol en la seua pròpia electrònica.
• Jun 2003: EPSG establix una colaboració en el CANopen Group (CiA – CAN in Automation) en la qual es decidix que les trames de CANopen puguen ser transmeses en POWERLINK també.
• Nov. 2003: els membres de EPSG seguixen desenrollant POWERLINK i acaben en les especificacions de la versió V2 del protocol.
• Abr. 2004: en la fira HMI d'Hannover (Alemània) es presenta el primer sistema “Multi-Vendor”, a on varis equips de distints fabricants comuniquen entre ells per mig de Ethernet POWERLINK.
• Nov. 2006: se certifica per TÜV el EPL Safety, protocol de seguritat basat en Ethernet POWERLINK.

• Oct. 2007: es realisen les primeres proves de POWERLINK en una ret de Ethernet a 1 Gbit/s; gràcies al fet basar-se en hardware Ethernet estàndar, el traspàs de 100 Mbit/s a 1 Gbit/s POWERLINK pot aprofitar d'esta nova tecnologia disponible per al mercat informàtic.
• Dic. 2007: POWERLINK s'inclou oficialment en els estàndarts internacionals IEC 61784-2 (perfil de comunicació), 61158-300, 61158-400. 61158-500, 61158-600 (servicis i protocols) i ISO 15745-1 (descripció de dispositiu).
• Abr. 2008: el protocol de Ethernet POWERLINK es fa tecnologia OpenSource: l'empresa alemana Systec Electronic publica el còdic font del protocol, qualsevol ho pot descarregar i utilisar-ho gratuïtament per a implementar en la seua pròpia electrònica Ethernet POWERLINK.
• Sep. 2008: disponible gratuïtament el LiveCD de openPOWERLINK: el LiveCD carrega un sistema operatiu GNU/Linux que ya integra el openPowerlink mestre.