EPA工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

【資料簡(jiǎn)介】

　　工控摘要：EPA是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用分段化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和確定性通信調(diào)度控制策略，解決了以太網(wǎng)通信的不確定性問(wèn)題，使以太網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)管理層、過(guò)程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)的COTS（CommercialOff-The-Shelf）技術(shù)直接應(yīng)用于變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、遠(yuǎn)程I/O、現(xiàn)場(chǎng)控制器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信。
　　
　　1、EPA簡(jiǎn)介
　　
　　EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，是一種全新的適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開(kāi)放性實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，EPA將大量成熟的IT技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，利用、穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)和UDP/IP協(xié)議的確定性通信調(diào)度策略，為適用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)工作建立了一種全新的標(biāo)準(zhǔn)。這一項(xiàng)目得到了中國(guó)政府“863”高科技研究與發(fā)展計(jì)劃的支持。
　　
　　目前，由浙江大學(xué)、浙大中控`共同主持，聯(lián)合*沈陽(yáng)自動(dòng)化所、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、重慶郵電學(xué)院、上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所、北京華控技術(shù)有限責(zé)任公司、機(jī)械工業(yè)儀器儀表
　　
　　儀器儀表：
　　
　　廣義的說(shuō)儀器儀表也可具有自動(dòng)控制、報(bào)警、信號(hào)傳遞和數(shù)據(jù)處理等功能，如氣動(dòng)調(diào)節(jié)儀、電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表，以及集散型儀表控制系統(tǒng)等也皆屬器儀表。儀器儀表能改善、擴(kuò)展或補(bǔ)充人的官能。如顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、聲級(jí)計(jì)、酸度計(jì)、高溫計(jì)等，可以擴(kuò)展人的視、聽(tīng)、嘗、摸外部事物的官能；有些儀器儀表，如磁強(qiáng)計(jì)、射線計(jì)數(shù)計(jì)等，可感受和測(cè)量到人所不能感受到的物理量；還有些儀器儀表可以超過(guò)人的能力去記錄、計(jì)算和計(jì)數(shù)，如高速照相機(jī)、計(jì)算機(jī)等。
　　
　　總線
　　
　　總線是將信息以一個(gè)或多個(gè)源部件傳送到一個(gè)或多個(gè)目的部件的一組傳輸線。通俗的說(shuō)，就是多個(gè)部件間的公共連線，用于在各個(gè)部件之間傳輸信息。人們常常以MHz表示的速度來(lái)描述總線頻率。
　　
　　2、確定性通信
　　
　　以太網(wǎng)由于采用CSMA/CD（載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)）介質(zhì)訪問(wèn)控制機(jī)制，因此具有通信“不確定性”的特點(diǎn)，并成為其應(yīng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的主要障礙。
　　
　　雖然以太網(wǎng)交換技術(shù)、全雙工通信技術(shù)以及IEEE802.1p&q規(guī)定的優(yōu)先級(jí)技術(shù)在一定程度上避免了碰撞，但也存在著一定的局限性：
　　
　　（1）以太網(wǎng)交換機(jī)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制同樣使通信延遲具有不確定性。通信延遲的不確定性主要來(lái)自于其排隊(duì)延遲。無(wú)論采用哪種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，當(dāng)同時(shí)來(lái)自于多個(gè)端口的報(bào)文需要向同一個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，交換機(jī)就必須將這些報(bào)文進(jìn)行排隊(duì)緩沖，并依次轉(zhuǎn)發(fā)。因此，交換機(jī)的緩沖池大小將直接影響了來(lái)自于某一端口的報(bào)文能否以及何時(shí)被成功轉(zhuǎn)發(fā)。
　　
　?。?）以太網(wǎng)交換機(jī)存在的“廣播風(fēng)爆”問(wèn)題。工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用廣播方式發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)文，同樣會(huì)產(chǎn)生碰撞。
　　
　　除了通信實(shí)時(shí)性要求外，工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的通信還具有以下特點(diǎn)：
　　
　　（1）周期與非周期信息同時(shí)存在，正常工作狀態(tài)下，周期性信息（如過(guò)程測(cè)量與控制信息、監(jiān)控信息等）較多，而非周期信息（如突發(fā)事件報(bào)警、程序上下載等）較少；
　　
　?。?）有限的時(shí)間響應(yīng)，一般辦公室自動(dòng)化計(jì)算機(jī)局部網(wǎng)響應(yīng)時(shí)間可在幾秒范圍內(nèi)，而工業(yè)控制局域網(wǎng)的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在0.01-1秒；
　　
　　（3）信息流向具有明顯的方向性，通信關(guān)系比較確定。
　　
　　只需將測(cè)量信息傳送到控制器，而控制器則將控制信息傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)儀表的過(guò)程監(jiān)控與突發(fā)時(shí)間信息則傳向操作站，操作站一般只需將下載的程序或配置數(shù)據(jù)傳送給現(xiàn)場(chǎng)儀表等；
　　
　　（4）根據(jù)組態(tài)方案，信息的傳送遵循嚴(yán)格的時(shí)序；
　　
　?。?）傳輸?shù)男畔⒘可?，信息長(zhǎng)度比較小，通常僅為幾位或幾個(gè)、十幾、幾十個(gè)字節(jié)；網(wǎng)絡(luò)吞吐量??；
　　
　?。?）網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較為平穩(wěn)。
　　
　　EPA系統(tǒng)中，根據(jù)通信關(guān)系，將控制現(xiàn)場(chǎng)劃分為若干個(gè)控制區(qū)域，每個(gè)區(qū)域通過(guò)一個(gè)EPA網(wǎng)橋互相分隔，將本區(qū)域內(nèi)設(shè)備間的通信流量限制在本區(qū)域內(nèi)；不同控制區(qū)域間的通信由EPA網(wǎng)橋進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；在一個(gè)控制區(qū)域內(nèi)，每個(gè)EPA設(shè)備按事先組態(tài)的分時(shí)發(fā)送原則向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)，由此避免了碰撞，保證了EPA設(shè)備間通信的確定性和實(shí)時(shí)性。
　　
　　3、“E”網(wǎng)到底
　　
　　EPA是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用分段化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和確定性通信調(diào)度控制策略，解決了以太網(wǎng)通信的不確定性問(wèn)題，使以太網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)管理層、過(guò)程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)的COTS（CommercialOff-The-Shelf）技術(shù)直接應(yīng)用于變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、遠(yuǎn)程I/O、現(xiàn)場(chǎng)控制器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信。
　　
　　采用EPA網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化智能工廠系統(tǒng)中從底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到上層的控制層、管理層的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)基于以太網(wǎng)技術(shù)的統(tǒng)一，即所謂的“E（Ethernet）網(wǎng)到底”。
　　
　　采用EPA，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)智能工廠中垂直和水平兩個(gè)方向的信息無(wú)縫集成：
　　
　　通過(guò)EPA網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信服務(wù)，來(lái)自不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)信息透明互訪和互可操作。
　　
　　采用EPA網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)智能工廠中從管理層、控制層直至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層等所有網(wǎng)絡(luò)層基于以太網(wǎng)的信息無(wú)縫集成，用戶可以在世界的任何地方通過(guò)其訪問(wèn)權(quán)限，直接通過(guò)常用的工具或軟件（而不是軟件）訪問(wèn)智能工廠中的任何一個(gè)設(shè)備。
　　
　　利用EPA開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與基于EPA的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS之間的信息無(wú)縫集成，使得工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的大量控制和非控制信息能夠無(wú)縫地傳遞到制造執(zhí)行層和企業(yè)管理層系統(tǒng)，通過(guò)信息集成創(chuàng)新技術(shù)、數(shù)據(jù)綜合利用技術(shù)、數(shù)據(jù)增值挖掘技術(shù)等，對(duì)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程實(shí)現(xiàn)智能化管理。
　　
　　4、互可操作
　　
　　與傳統(tǒng)的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)不同，工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)不僅要解決信號(hào)的互通和互連，更需要解決信息的互通問(wèn)題，即信息的互相識(shí)別、互相理解和互可操作。
　　
　　所謂信號(hào)的互通，即兩個(gè)需要互相通信的設(shè)備所采用的通信介質(zhì)、信號(hào)類型、信號(hào)大小、信號(hào)的輸入/輸出匹配等幾方面的參數(shù)符合同一標(biāo)準(zhǔn)，即物理層標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，不同的設(shè)備就能連接在同一網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)互連。
　　
　　如今，幾乎所有的控制系統(tǒng)都采用了以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議作為其通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的互連。但是，如果僅采用以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議，而沒(méi)有統(tǒng)一的高層協(xié)議（如應(yīng)用層協(xié)議），不同設(shè)備之間還不能相互理解、識(shí)別彼此所傳送的信息含義，就不能實(shí)現(xiàn)信息互通，也就不可能實(shí)現(xiàn)開(kāi)放系統(tǒng)之間的互可操作。
　　
　　為此，《EPA標(biāo)準(zhǔn)》除了解決實(shí)時(shí)通信問(wèn)題外，還為用戶層應(yīng)用程序定義了應(yīng)用層服務(wù)與協(xié)議規(guī)范，包括系統(tǒng)管理服務(wù)、域上/下載服務(wù)、變量訪問(wèn)服務(wù)、事件管理服務(wù)等。至于ISO/OSI通信模型中的會(huì)話層、表示層等中間層次，為降低設(shè)備的通信處理負(fù)荷，可以省略，而在應(yīng)用層直接定義與TCP/IP協(xié)議的接口。
　　
　　為支持來(lái)自不同廠商的EPA設(shè)備之間的互可操作，《EPA標(biāo)準(zhǔn)》采用XML（eXtensibleMarkupLanguage）擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言為EPA設(shè)備描述語(yǔ)言，規(guī)定了設(shè)備資源、功能塊及其參數(shù)接口的描述方法。用戶可采用Microsoft提供的通用DOM技術(shù)對(duì)EPA設(shè)備描述文件進(jìn)行解釋，而無(wú)需的設(shè)備描述文件編譯和解釋工具。