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[摘 要]工业以太网以其较高的实时性、较好的开放性和安全性正在被广泛的应用于生产过程自动化领域和机械自动化领域。结合我院实际情况，面向轻工行业中的印刷、包装、纺织、塑料等行业的生产现场自动控制，工业以太网仿真教学系统的研究在我院的多个自动化类专业的实际教学中具有很高的应用价值。并且这一领域的知识具有广阔的应用前景，对于学生将来在行业内部就业具有很强的实用意义。
[关键词]仿真教学 Ethernet POWERLINK 现场控制
一、工业以太网概述
以太网（Ethernet）出现于1975年，1982 年成为IEEE 802.3 标准的第一版本。1990年2月，该标准正式成为ISO/IEC 8802.3国际标准。进入21 世纪以来，以太网技术开始应用于工业自动化控制网络。工业以太网交换机是在商用以太网交换机（IEC 8802.3 标准）的基础上研制而成的，适应不同工业控制系统的功能和性能需求，适应各种恶劣环境的高可靠性数据交换设备。
2007 年12 月，IEC 出版了IEC 61158 现场总线第四版国际标准，包括EPA实时以太网在内的9 种类型的工业以太网进入新版标准。它标志着工业以太网技术成为与现场总线技术并列的工业自动化控制系统网络通信解决方案。由于以太网技术标准开放性好，应用广泛，使用透明、统一的通讯协议，以太网将成为工业控制领域唯一的统一通信标准。工业以太网为机器与机器之间的数据通信提供了统一的网络平台，是未来物联网的重要网络基础。工业以太网与商业以太网都符合OSI 模型，但针对工业控制实时性、高可靠性的要求，工业以太网在链路层、网络层增加了不同的功能模块，在物理层增加了电磁兼容性设计，解决了通信实时性、网络安全性、抗强电磁干扰等技术问题。目前工业以太网已逐步应用于电力、交通、冶金、煤炭、石油化工等工业领域中。
二、工业以太网技术应用在教学中的意义
结合我院实际情况，面向轻工行业中的印刷、包装、纺织、塑料等行业的生产现场自动控制，工业以太网仿真教学系统的研究在我系的多个自动化类专业的实际教学中具有很高的应用价值。并且这一领域的知识具有广阔的应用前景，对于学生将来在行业内部就业具有很强的实用意义。作为新兴产业，全球工业以太网行业目前正处于产业发展的导入期，最近十年的增长速度远高于互联网和现场总线的增长速度。
我们选择工业以太网技术来实现教学仿真系统主要是考虑到工业自动控制系统的网络结构发展越来越分散化，同时系统越来越复杂，内部的连接越来越高速化与紧密化，集中控制系统已经不能满足要求。系统细分成了独立的控制孤岛，因此对驱动器和用户接口的需求越来越多。分布式实时控制的前提及其确定性的概念是一种网络技术，其性能至少要高于现行的现场总线。传统的PLC技术不能满足这一要求。在所有的网络技术中，以太网技术是至今最理想的选择，它具有以下特点：
（1）高传输速率，目前到1000MB/s;
（2）高传输安全性和可靠性，集线器技术的确定性:
（3）几乎不需考虑网络的拓扑结构;
（4）传输物理介质:双绞线、光纤、同轴电缆;
（5）集线器的应用可不需考虑网络的扩展;
（6）建立一种标准:一个新的工控总线标准;
（7）与IT连接，“世界标准”的TCP/IP技术的应用;
（8）在整个网络中的随机网络存取技术;
（9）低成本高性能面向未来的开发;
三、POWERLINK成为中国工业以太网推荐性标准
2012年3月7日，国家工业标准委员会工业二部孙维女士宣布《以太网POWERLINK通信行规规范》获批成为中国国家推荐性标准，标准号GB/T-27960，这意味着POWERLINK这一全球范围广泛使用的实时通信技术得到了中国官方的认同和支持，并在全国范围内推荐使用。
POWERLINK通讯技术于2001年由贝加莱公司研发并推向市场，同年成立EPSG(Ethernet POWERLINK Standardization Group)联盟，如今POWERLINK已经成为国际标准（IEC61158和IEC61784-2），并满足工业安全标准IEC61508。全球已有240个机械制造商正在使用POWERLINK技术。
POWERLINK是一个严格且具有确定性的实时通讯软件协议，它完全建立在以太网硬件基础上，现在可实现波特率为1Gbits/s的安全通讯速率。POWERLINK不仅支持PLC，I/O以及运动控制数据的循环通信，同时也支持实时网络节点间的非同步通信，并且专门为这一目的预留有部分网络带宽。
四、基于POWERLINK的工业以太网仿真教学系统从站功能分析
工业以太网仿真教学系统从站是一种处于控制系统最底层的设备,需要有信息输入模块，如模拟量传感器或者是数字量IO输入，还需要有像继电器和机械开关这样的执行机构。但在本设计中由于只是实现POWERLINK网络的正常连接和通讯，所以没有必要花费更多的物力和人力在执行机构上。
仿真教学系统从站设计上主要需要一个主控芯片完成POWERLINK通讯协议，以及控制执行机构以实现POWERLINK主站下发的指令。在主芯片外围需要一个SRAM芯片做内存之用，以便处理器在处理网络协议的时候可以缓存网络数据。FLASH芯片用于存储部分掉电不能丢失的数据，如主站给从站下发的参数设置，以及一些系统信息等，以便在某个从站出现问题时能在不停掉整个系统的情况下，对其进行及时的更换。作为工业以太网从站，这里需要一个100M/s PHY芯片做网络通讯。最后还需要8个LED灯，以便学生在使用此仿真教学系统做实验的时候，通过眼睛能观察到从站对主站命令的执行情况。
五、从站硬件系统整体结构
硬件原理图的设计上，主要以满足从站设计要求为主，由于设计初衷是选择在FPGA内部放置一个Nios II内核作为核心CPU，对于Nios II CPU来讲需要外挂一片FLASH和SRAM就能作为最小系统工作起来了。所以，外围器件的设计上不必配备像DDR2这种高速的且必须用FPGA的专用管脚去连接的芯片。系统整体原理框图如图1所示。
图1 仿真教学系统从站原理框图
六、小结
本论文提出并实现了POWERLINK智能从站的硬件设计方案。本文基于Ethernet POWERLINK技术设计出以FPGA（现场可编程门阵列）为基础的POWERLINK智能从站仿真系统，目的是开发出一套对现有的POWERLINK技术平台进行虚拟化仿真教学的系统，以适应高职教育的特点。在教学中，学生可以通过该系统对POWERLINK技术有更加直观的认识和了解。
截至目前，由于时间与技术等诸多因素的限制，本文对基于POWERLINK的工业以太网仿真教学系统的研究工作还只是处于初级阶段。接下来我们要做的是，从站的器件选型、从站的重要器件原理设计、从站软件设计等方面的工作。
参考文献：
[1]中商情报网. 2012年中国工业以太网行业的发展概况［EB/OL］. http://www.askci.com/news/201204/16/1615395927653.shtml，2012-04-16/2012
-07-16.
[2]马宾. 工业以太网的实时性研究及在现场测控中的应用：[硕士学位论文] .济南：山东大学，2005.
[关键词]仿真教学 Ethernet POWERLINK 现场控制
一、工业以太网概述
以太网（Ethernet）出现于1975年，1982 年成为IEEE 802.3 标准的第一版本。1990年2月，该标准正式成为ISO/IEC 8802.3国际标准。进入21 世纪以来，以太网技术开始应用于工业自动化控制网络。工业以太网交换机是在商用以太网交换机（IEC 8802.3 标准）的基础上研制而成的，适应不同工业控制系统的功能和性能需求，适应各种恶劣环境的高可靠性数据交换设备。
2007 年12 月，IEC 出版了IEC 61158 现场总线第四版国际标准，包括EPA实时以太网在内的9 种类型的工业以太网进入新版标准。它标志着工业以太网技术成为与现场总线技术并列的工业自动化控制系统网络通信解决方案。由于以太网技术标准开放性好，应用广泛，使用透明、统一的通讯协议，以太网将成为工业控制领域唯一的统一通信标准。工业以太网为机器与机器之间的数据通信提供了统一的网络平台，是未来物联网的重要网络基础。工业以太网与商业以太网都符合OSI 模型，但针对工业控制实时性、高可靠性的要求，工业以太网在链路层、网络层增加了不同的功能模块，在物理层增加了电磁兼容性设计，解决了通信实时性、网络安全性、抗强电磁干扰等技术问题。目前工业以太网已逐步应用于电力、交通、冶金、煤炭、石油化工等工业领域中。
二、工业以太网技术应用在教学中的意义
结合我院实际情况，面向轻工行业中的印刷、包装、纺织、塑料等行业的生产现场自动控制，工业以太网仿真教学系统的研究在我系的多个自动化类专业的实际教学中具有很高的应用价值。并且这一领域的知识具有广阔的应用前景，对于学生将来在行业内部就业具有很强的实用意义。作为新兴产业，全球工业以太网行业目前正处于产业发展的导入期，最近十年的增长速度远高于互联网和现场总线的增长速度。
我们选择工业以太网技术来实现教学仿真系统主要是考虑到工业自动控制系统的网络结构发展越来越分散化，同时系统越来越复杂，内部的连接越来越高速化与紧密化，集中控制系统已经不能满足要求。系统细分成了独立的控制孤岛，因此对驱动器和用户接口的需求越来越多。分布式实时控制的前提及其确定性的概念是一种网络技术，其性能至少要高于现行的现场总线。传统的PLC技术不能满足这一要求。在所有的网络技术中，以太网技术是至今最理想的选择，它具有以下特点：
（1）高传输速率，目前到1000MB/s;
（2）高传输安全性和可靠性，集线器技术的确定性:
（3）几乎不需考虑网络的拓扑结构;
（4）传输物理介质:双绞线、光纤、同轴电缆;
（5）集线器的应用可不需考虑网络的扩展;
（6）建立一种标准:一个新的工控总线标准;
（7）与IT连接，“世界标准”的TCP/IP技术的应用;
（8）在整个网络中的随机网络存取技术;
（9）低成本高性能面向未来的开发;
三、POWERLINK成为中国工业以太网推荐性标准
2012年3月7日，国家工业标准委员会工业二部孙维女士宣布《以太网POWERLINK通信行规规范》获批成为中国国家推荐性标准，标准号GB/T-27960，这意味着POWERLINK这一全球范围广泛使用的实时通信技术得到了中国官方的认同和支持，并在全国范围内推荐使用。
POWERLINK通讯技术于2001年由贝加莱公司研发并推向市场，同年成立EPSG(Ethernet POWERLINK Standardization Group)联盟，如今POWERLINK已经成为国际标准（IEC61158和IEC61784-2），并满足工业安全标准IEC61508。全球已有240个机械制造商正在使用POWERLINK技术。
POWERLINK是一个严格且具有确定性的实时通讯软件协议，它完全建立在以太网硬件基础上，现在可实现波特率为1Gbits/s的安全通讯速率。POWERLINK不仅支持PLC，I/O以及运动控制数据的循环通信，同时也支持实时网络节点间的非同步通信，并且专门为这一目的预留有部分网络带宽。
四、基于POWERLINK的工业以太网仿真教学系统从站功能分析
工业以太网仿真教学系统从站是一种处于控制系统最底层的设备,需要有信息输入模块，如模拟量传感器或者是数字量IO输入，还需要有像继电器和机械开关这样的执行机构。但在本设计中由于只是实现POWERLINK网络的正常连接和通讯，所以没有必要花费更多的物力和人力在执行机构上。
仿真教学系统从站设计上主要需要一个主控芯片完成POWERLINK通讯协议，以及控制执行机构以实现POWERLINK主站下发的指令。在主芯片外围需要一个SRAM芯片做内存之用，以便处理器在处理网络协议的时候可以缓存网络数据。FLASH芯片用于存储部分掉电不能丢失的数据，如主站给从站下发的参数设置，以及一些系统信息等，以便在某个从站出现问题时能在不停掉整个系统的情况下，对其进行及时的更换。作为工业以太网从站，这里需要一个100M/s PHY芯片做网络通讯。最后还需要8个LED灯，以便学生在使用此仿真教学系统做实验的时候，通过眼睛能观察到从站对主站命令的执行情况。
五、从站硬件系统整体结构
硬件原理图的设计上，主要以满足从站设计要求为主，由于设计初衷是选择在FPGA内部放置一个Nios II内核作为核心CPU，对于Nios II CPU来讲需要外挂一片FLASH和SRAM就能作为最小系统工作起来了。所以，外围器件的设计上不必配备像DDR2这种高速的且必须用FPGA的专用管脚去连接的芯片。系统整体原理框图如图1所示。
图1 仿真教学系统从站原理框图
六、小结
本论文提出并实现了POWERLINK智能从站的硬件设计方案。本文基于Ethernet POWERLINK技术设计出以FPGA（现场可编程门阵列）为基础的POWERLINK智能从站仿真系统，目的是开发出一套对现有的POWERLINK技术平台进行虚拟化仿真教学的系统，以适应高职教育的特点。在教学中，学生可以通过该系统对POWERLINK技术有更加直观的认识和了解。
截至目前，由于时间与技术等诸多因素的限制，本文对基于POWERLINK的工业以太网仿真教学系统的研究工作还只是处于初级阶段。接下来我们要做的是，从站的器件选型、从站的重要器件原理设计、从站软件设计等方面的工作。
参考文献：
[1]中商情报网. 2012年中国工业以太网行业的发展概况［EB/OL］. http://www.askci.com/news/201204/16/1615395927653.shtml，2012-04-16/2012
-07-16.
[2]马宾. 工业以太网的实时性研究及在现场测控中的应用：[硕士学位论文] .济南：山东大学，2005.