摘 要：通過對EPA通信結(jié)構(gòu)和EPA通信調(diào)度策略的分析，討論了EPA工業(yè)以太網(wǎng)中影響其確定性的可能因素，介紹了EPA網(wǎng)絡(luò)中MAC介質(zhì)訪問層對各種傳輸數(shù)據(jù)的處理方法，得出了EPA工業(yè)以太網(wǎng)確定性的結(jié)論，為進一步設(shè)計實現(xiàn)EPA工業(yè)以太網(wǎng)提供了參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng); EPA; 確定性

1 概述

“用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA（Ethernet for Plant Automation）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)”是一種基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，適用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)裝置和儀器儀表間相互通信的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)需要通過控制信息的傳遞驅(qū)動事件的發(fā)生，因此網(wǎng)絡(luò)的高實時性是首先要保證的，一般不允許有秒級的延遲，特殊場合甚至要求到毫秒級。實時性包括兩方面要求，一是傳輸速度要快，即網(wǎng)絡(luò)通信速率要高;二是響應(yīng)時間要短，響應(yīng)時間由現(xiàn)場設(shè)備控制中斷的能力、信息在通信系統(tǒng)的傳輸時間、等待網(wǎng)絡(luò)空閑的時間以及避免信息在網(wǎng)絡(luò)上碰撞的時間等方面決定。控制網(wǎng)絡(luò)在時間上的確定性則表現(xiàn)為任務(wù)（如功能塊的執(zhí)行）在時間上是可以預(yù)測的，要求最大值是可預(yù)知的并小于一定值。工業(yè)以太網(wǎng)的實時性和確定性既相互聯(lián)系又各自代表不同的性能要求。

由于以太網(wǎng)采用CSMA/CD介質(zhì)訪問方式，使得從根本上講傳統(tǒng)以太網(wǎng)是不確定的，這也是最初阻礙以太網(wǎng)進入工業(yè)控制領(lǐng)域的主要障礙。隨著全雙工交換式以太網(wǎng)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)以太網(wǎng)不確定性的缺點不復(fù)存在，網(wǎng)絡(luò)通信的速度和效率取決于交換機。為了減少交換機對以太網(wǎng)通信速度和效率的負(fù)面影響，在架構(gòu)以太網(wǎng)時對交換技術(shù)的選擇成為重點考慮的問題。采用先進的交換技術(shù)、VLAN技術(shù)、優(yōu)先級處理技術(shù)等成為工業(yè)以太網(wǎng)實時性能提高的重要支撐。與此同時，各大開發(fā)商也紛紛采用在應(yīng)用層制定實時通信協(xié)議的方法來提高以太網(wǎng)實時性能，這樣既不改變以太網(wǎng)原有結(jié)構(gòu)，保留了以太網(wǎng)簡單、價廉的優(yōu)勢，同時達(dá)到的實時性的要求，成為目前改善工業(yè)以太網(wǎng)實時性能的主要手段。現(xiàn)已發(fā)布的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)均采用了此方法。本文通過對EPA通信結(jié)構(gòu)及通信調(diào)度策略的分析，討論了EPA工業(yè)以太網(wǎng)的確定性問題，為進一步實現(xiàn)具備確定控制性能的EPA工業(yè)以太網(wǎng)提供了參考。

2 EPA工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

從系統(tǒng)的層次關(guān)系來分，EPA分為過程監(jiān)控層和現(xiàn)場設(shè)備層兩層。依據(jù)EPA現(xiàn)場設(shè)備間的通信耦合關(guān)系和物理安裝位置，現(xiàn)場設(shè)備層可分為若干個子網(wǎng)段或控制區(qū)域。子網(wǎng)段內(nèi)的EPA設(shè)備通過以太網(wǎng)交換機連接，采用EPA通信協(xié)議進行通信。子網(wǎng)段間通過EPA網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段和現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)段邏輯隔離，保證了子網(wǎng)段內(nèi)的通信數(shù)據(jù)不流經(jīng)其他網(wǎng)段，減少了網(wǎng)段負(fù)載，提高實時性和安全性。

EPA通信模型參照ISO/OSI模型，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，并增加了用戶層，構(gòu)成六層結(jié)構(gòu)通信模型。見圖1[1]。

EPA物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE802系列，即有線部分以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3、無線局域網(wǎng)IEEE802.11和藍(lán)牙無線通信IEEE802.15。為提高實時性，在數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC層上增加了一個通信調(diào)度管理實體，負(fù)責(zé)管理實時EPA通信與非實時網(wǎng)絡(luò)通信的并行運行。該通信調(diào)度管理實體將網(wǎng)絡(luò)中的通信報文分為周期報文和非周期報文，周期報文包括與過程控制有關(guān)的數(shù)據(jù)，優(yōu)先級最高。非周期報文包括事件通知、應(yīng)用數(shù)據(jù)等，依數(shù)據(jù)類別分別賦予不同的優(yōu)先級，再按優(yōu)先級依次發(fā)送。所有EPA設(shè)備按周期進行通信。EPA應(yīng)用層為EPA設(shè)備之間周期和非周期數(shù)據(jù)通信提供通道和服務(wù)接口，分為EPA實時通信規(guī)范和非實時通信規(guī)范。實時通信規(guī)范包括EPA應(yīng)用層服務(wù)和EPA套接字映射接口兩個層次[2]。

3 EPA工業(yè)以太網(wǎng)確定性分析

3.1 影響工業(yè)以太網(wǎng)確定性因素

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的確定性主要用于描述系統(tǒng)可預(yù)測的響應(yīng)時間和時延，即網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點通信，從信息發(fā)送到信息接收之間全部延遲的最大時間是確定的。

一個EPA現(xiàn)場設(shè)備信息到達(dá)另一個EPA現(xiàn)場設(shè)備的信息延遲依賴于系統(tǒng)的實現(xiàn)。按信息的傳輸流程分為[3]：（1）發(fā)送站高層處理和排隊延遲T_up-send（2）發(fā)送站MAC層排隊延遲T_MAC-send（3）信息發(fā)送延遲T_send（4）信息傳播延遲T_trans（5）接受站高層處理和排隊延遲T_up-rec（6）接受站MAC層排隊延遲T_MAC-rec，若總延遲時間為T_delay，則：

圖2 現(xiàn)場智能設(shè)備間信息延遲的組成

由此可見，該延遲是由網(wǎng)絡(luò)和主機共同決定的，高層處理和排隊延遲依賴主機的系統(tǒng)軟件和處理器/存儲器的速度;以太網(wǎng)的信息發(fā)送延遲取決于幀的長度和網(wǎng)絡(luò)帶寬;傳播延遲由傳輸距離和信號在介質(zhì)中的傳播速度決定;接受站MAC層排隊延遲取決于接收站處理器響應(yīng)MAC層中斷的時間;發(fā)送站MAC層排隊延遲由MAC層協(xié)議決定。

在計算機網(wǎng)絡(luò)日益發(fā)展的今天，高層處理和排隊延遲隨著主機處理器/存儲器速度的提高和系統(tǒng)軟件的不斷完善在整個時間延遲中所占分量越來越少，并且該延遲是可以預(yù)測的，在確定性分析中不再討論;由于實際應(yīng)用中對實時性要求高的數(shù)據(jù)幀的長度較短，又由于目前普遍應(yīng)用的是100M以至更高速以太網(wǎng)這兩方面的因素，信息發(fā)送延遲也可忽略不計，并且該延遲也是可以預(yù)測的;EPA系統(tǒng)分為不同的微網(wǎng)段，這使得由傳輸距離和信號傳播速度決定的傳播延遲還可忽略不計，并且該延遲仍是可以預(yù)測的;由接收站處理器的中斷處理能力來決定的接收站MAC層排隊延遲依然可以預(yù)測;只有由MAC層協(xié)議決定的發(fā)送站排隊延遲受介質(zhì)訪問協(xié)議的約束，傳統(tǒng)以太網(wǎng)的自由競爭機制被稱為“不確定網(wǎng)絡(luò)”即源于此。采用全雙工交換式以太網(wǎng)，改變了CSMA/CD機制，使得信息傳輸延遲只由交換機的延遲所致，網(wǎng)絡(luò)通信的速度和效率取決于交換機。為了減少交換機對整個網(wǎng)絡(luò)速度和效率的影響，組網(wǎng)時要盡量避免跨多個交換機通信，將經(jīng)常交換數(shù)據(jù)的設(shè)備放在一個網(wǎng)段。由此可以得出：在目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展情況下，現(xiàn)場智能處理單元的處理速度和發(fā)送站MAC層介質(zhì)訪問調(diào)度方法是傳輸延遲的主要原因。

3.2　EPA通信調(diào)度

EPA根據(jù)不同信息的傳輸要求，采用三種通信方式：客戶/服務(wù)器型、報告分發(fā)型、發(fā)布者/預(yù)定者型，分別滿足高實時性、可靠性及節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源等多方面需求。

EPA網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括基本設(shè)備信息、設(shè)備組態(tài)信息、過程測量與控制信息、以及報警等信息。根據(jù)信息向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的特點，可以分為周期性信息和非周期性信息。周期性信息主要是測量和控制信息，這些信息周期性發(fā)送，通常按照一定的時間間隔觸發(fā)，實時性要求較高，并對執(zhí)行時間有截止期要求，同時測量和控制信息的傳送有一定的順序性，信息流有明顯的方向性;非周期信息主要是用戶操作指令、組態(tài)信息和報警，信息長度小，隨機觸發(fā)，通常為幾個比特到幾十字節(jié)，信息量少。非周期信息中，設(shè)備組態(tài)等信息對實時性要求不高，但需保證可靠性。而報警等信息則有較高的實時性要求。一般實時數(shù)據(jù)都較短，對于大多數(shù)實時數(shù)據(jù)而言，只有最新數(shù)據(jù)才是有意義的，因此不會要求重發(fā)。工業(yè)應(yīng)用中周期性信息較多，非周期信息較少。

EPA系統(tǒng)中，每個控制區(qū)域即微網(wǎng)段中，現(xiàn)場智能設(shè)備相互通信，不同微網(wǎng)段間的通信要由EPA網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)。在一個微網(wǎng)段內(nèi)，所有設(shè)備按周期通信。一個通信周期分為兩個階段：周期報文發(fā)送階段Tp和非周期報文發(fā)送階段Tn。周期報文的發(fā)送優(yōu)先級最高，各個設(shè)備采用生產(chǎn)者/消費者通信模型按事先組態(tài)好的順序發(fā)送，當(dāng)節(jié)點執(zhí)行時間來到，現(xiàn)場設(shè)備就把需要發(fā)送的信息廣播到整個網(wǎng)段，網(wǎng)段內(nèi)所有設(shè)備節(jié)點均可“看”到，只有與之對應(yīng)的消費者節(jié)點將數(shù)據(jù)接收。因此周期性發(fā)送的數(shù)據(jù)具有時間確定性。非周期信息的調(diào)度總是在周期性調(diào)度的兩次調(diào)度間隙進行，因此非周期信息發(fā)送的持續(xù)時間不能超過該限值。對于報警信息等短數(shù)據(jù)幀信息，能夠保證在規(guī)定時限內(nèi)完成，而對于系統(tǒng)配置信息、上載程序等傳輸要求，數(shù)據(jù)量較大，同時需保證可靠性的情況，整個傳輸過程就必須借助網(wǎng)絡(luò)速率和現(xiàn)場智能處理單元處理速度的提高來保證，因此在設(shè)計微網(wǎng)段時需仔細(xì)考慮。對于網(wǎng)段內(nèi)隨機產(chǎn)生的非周期信息由總線仲裁者通過輪詢方式按照優(yōu)先級進行管理，只有當(dāng)某個節(jié)點接到滿足優(yōu)先級條件的發(fā)送許可后，該節(jié)點的非周期信息才允許發(fā)送。在非周期信息發(fā)送階段，EPA總線仲裁者可以自動調(diào)節(jié)令牌優(yōu)先級以實現(xiàn)信息在規(guī)定的時間范圍內(nèi)順利發(fā)送，保證系統(tǒng)可靠運行。

4 結(jié)論

通過分析EPA通信結(jié)構(gòu)及通信調(diào)度策略可以看出：EPA工業(yè)以太網(wǎng)的在響應(yīng)時間的確定性方面有一定程度的保證，可以根據(jù)企業(yè)實際情況以及性能要求在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵部件的選擇、現(xiàn)場智能設(shè)備的選擇等方面精心設(shè)計，從而達(dá)到工業(yè)控制要求。控制網(wǎng)絡(luò)實時性能的提高是控制網(wǎng)絡(luò)確定性保證的基礎(chǔ)，筆者認(rèn)為目前的關(guān)鍵工作是提高現(xiàn)場設(shè)備的處理速度和智能化水平，同時完善網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步工作。

參考文獻

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