EPA工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)
1典徊、EPA簡介 EPA實時以太網(wǎng)憔购，是一種全新的適用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的開放性實時以太網(wǎng)標準回象，EPA將大量成熟的IT技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，利用高效东呻、穩(wěn)定、標準的以太網(wǎng)和UDP/IP協(xié)議的確定性通信調(diào)度策略国谬，為適用于現(xiàn)場設(shè)備的實時工作建立了一種全新的標準。這一項目得到了中國政府“863”高科技研究與發(fā)展計劃的支持程堤。 目前扁奔，由浙江大學(xué)、浙大中控`共同主持暖谚，聯(lián)合中國科學(xué)院沈陽自動化所、清華大學(xué)节猿、大連理工大學(xué)、重慶郵電學(xué)院滨嘱、上海工業(yè)自動化儀表研究所峰鄙、北京華控技術(shù)有限責任公司、機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所等共同起草制定的《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范》已經(jīng)通過了TC124/SC4的技術(shù)審查吟榴，成為我國第一個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線國家標準。同時煤墙，該標準成功進入IEC標準體系，被IEC作為PAS標準形式公開發(fā)布铣减，也被正在制定的實時以太網(wǎng)國際標準IEC61784-2收錄脚作，作為第14族實時以太網(wǎng)協(xié)議葫哗。這是迄今為止，中國工業(yè)自動化領(lǐng)域第一個被國際認可和接受的標準卓瞻。 2笤吵、確定性通信 以太網(wǎng)由于采用CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/沖突檢測）介質(zhì)訪問控制機制更扰，因此具有通信“不確定性”的特點，并成為其應(yīng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的主要障礙装呢。 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)先級技術(shù)在一定程度上避免了碰撞乌烫，但也存在著一定的局限性： （1）以太網(wǎng)交換機的存儲轉(zhuǎn)發(fā)機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自于其排隊延遲忍症。無論采用哪種存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，當同時來自于多個端口的報文需要向同一個端口轉(zhuǎn)發(fā)時仿吞，交換機就必須將這些報文進行排隊緩沖怀泊，并依次轉(zhuǎn)發(fā)。因此霹琼，交換機的緩沖池大小將直接影響了來自于某一端口的報文能否以及何時被成功轉(zhuǎn)發(fā)枣申。 （2）以太網(wǎng)交換機存在的“廣播風(fēng)爆”問題看杭。工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用廣播方式發(fā)送的實時數(shù)據(jù)報文挟伙，同樣會產(chǎn)生碰撞。 除了通信實時性要求外尖阔，工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的通信還具有以下特點： （1）周期與非周期信息同時存在，正常工作狀態(tài)下焕鲸，周期性信息（如過程測量與控制信息韧似、監(jiān)控信息等）較多，而非周期信息（如突發(fā)事件報警痒仆、程序上下載等）較少秋胚； （2）有限的時間響應(yīng)，一般辦公室自動化計算機局部網(wǎng)響應(yīng)時間可在幾秒范圍內(nèi)蚀弹，而工業(yè)控制局域網(wǎng)的響應(yīng)時間應(yīng)在0.01-1秒胶向； （3）信息流向具有明顯的方向性，通信關(guān)系比較確定包竹。正常工作情況下然磷，變送器只需將測量信息傳送到控制器任洞，而控制器則將控制信息傳送給執(zhí)行機構(gòu)款咖，來自現(xiàn)場儀表的過程監(jiān)控與突發(fā)時間信息則傳向操作站退盯，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)場儀表等； （4）根據(jù)組態(tài)方案渊迁，信息的傳送遵循嚴格的時序； （5）傳輸?shù)男畔⒘可俣咀猓畔㈤L度比較小，通常僅為幾位或幾個秽擦、十幾呢呕、幾十個字節(jié)弓匪；網(wǎng)絡(luò)吞吐量懈缦俊； （6）網(wǎng)絡(luò)負荷較為平穩(wěn)惋蛉。 EPA系統(tǒng)中，根據(jù)通信關(guān)系拥耍，將控制現(xiàn)場劃分為若干個控制區(qū)域协熙，每個區(qū)域通過一個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)煌寇；不同控制區(qū)域間的通信由EPA網(wǎng)橋進行轉(zhuǎn)發(fā)逾雄；在一個控制區(qū)域內(nèi)，每個EPA設(shè)備按事先組態(tài)的分時發(fā)送原則向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)鸦泳，由此避免了碰撞，保證了EPA設(shè)備間通信的確定性和實時性击纬。 3钾麸、“E”網(wǎng)到底 EPA是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的開放網(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)度控制策略殃饿，解決了以太網(wǎng)通信的不確定性問題，使以太網(wǎng)缩棉、無線局域網(wǎng)瑟哺、藍牙等廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)管理層、過程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)的COTS（Commercial Off-The-Shelf）技術(shù)直接應(yīng)用于變送器弹梁、執(zhí)行機構(gòu)、遠程I/O胜通、現(xiàn)場控制器等現(xiàn)場設(shè)備間的通信芽堪。 采用EPA網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)綜合自動化智能工廠系統(tǒng)中從底層的現(xiàn)場設(shè)備層到上層的控制層苍煎、管理層的通信網(wǎng)絡(luò)平臺基于以太網(wǎng)技術(shù)的統(tǒng)一，即所謂的“E（Ethernet）網(wǎng)到底”梭域。 采用EPA，可實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)智能工廠中垂直和水平兩個方向的信息無縫集成： 通過EPA網(wǎng)絡(luò)通信平臺提供的實時數(shù)據(jù)通信服務(wù)病涨，來自不同廠商的現(xiàn)場智能設(shè)備和應(yīng)用程序可以實現(xiàn)信息透明互訪和互可操作介时。 采用EPA網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)智能工廠中從管理層沸柔、控制層直至現(xiàn)場設(shè)備層等所有網(wǎng)絡(luò)層基于以太網(wǎng)的信息無縫集成褐澎，用戶可以在世界的任何地方通過其訪問權(quán)限伐蒋，直接通過常用的工具或軟件（而不是專用軟件）訪問智能工廠中的任何一個設(shè)備。 利用EPA開放網(wǎng)絡(luò)平臺曲苛，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS仁沃、PLC）與基于EPA的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS之間的信息無縫集成赡析，使得工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中的大量控制和非控制信息能夠無縫地傳遞到制造執(zhí)行層和企業(yè)管理層系統(tǒng)考皂，通過信息集成創(chuàng)新技術(shù)、數(shù)據(jù)綜合利用技術(shù)遗酷、數(shù)據(jù)增值挖掘技術(shù)等住龙，對工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)全過程實現(xiàn)高效智能化管理。 4监征、互可操作 與傳統(tǒng)的4-20mA標準不同饵逐，工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)不僅要解決信號的互通和互連，更需要解決信息的互通問題哺窄，即信息的互相識別账锹、互相理解和互可操作。 所謂信號的互通奸柬，即兩個需要互相通信的設(shè)備所采用的通信介質(zhì)生年、信號類型廓奕、信號大小、信號的輸入/輸出匹配等幾方面的參數(shù)符合同一標準蒸绩，即物理層標準铃肯。在此基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議葬爽，不同的設(shè)備就能連接在同一網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)互連柄哀。 如今听番，幾乎所有的控制系統(tǒng)都采用了以太網(wǎng)图兑、TCP/IP協(xié)議作為其通信網(wǎng)絡(luò)怯漾，實現(xiàn)了設(shè)備的互連。但是碍蚊，如果僅采用以太網(wǎng)到旦、TCP/IP協(xié)議，而沒有統(tǒng)一的高層協(xié)議（如應(yīng)用層協(xié)議）采呐，不同設(shè)備之間還不能相互理解搁骑、識別彼此所傳送的信息含義仲器，就不能實現(xiàn)信息互通，也就不可能實現(xiàn)開放系統(tǒng)之間的互可操作蝶糯。 為此辆沦，《EPA標準》除了解決實時通信問題外，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)范央匀，包括系統(tǒng)管理服務(wù)鲤境、域上/下載服務(wù)投戴、變量訪問服務(wù)爸蝠、事件管理服務(wù)等。至于ISO/OSI通信模型中的會話層仲峡、表示層等中間層次酵逾，為降低設(shè)備的通信處理負荷，可以省略吞滞，而在應(yīng)用層直接定義與TCP/IP協(xié)議的接口裁赠。 為支持來自不同廠商的EPA設(shè)備之間的互可操作佩捞，《EPA標準》采用XML（eXtensible Markup Language）擴展標記語言為EPA設(shè)備描述語言一忱，規(guī)定了設(shè)備資源谭确、功能塊及其參數(shù)接口的描述方法琼富。用戶可采用Microsoft 提供的通用DOM技術(shù)對EPA設(shè)備描述文件進行解釋翎噩，而無需專用的設(shè)備描述文件編譯和解釋工具。 5 治弯、開放性 《EPA標準》完全兼容IEEE802.3凡盔、IEEE802.1P&Q幅瑞、IEEE802.1D、IEEE802.11狮屏、IEEE802.15以及UDP（TCP）/IP等協(xié)議，采用UDP協(xié)議傳輸EPA協(xié)議報文蝎毡，以減少協(xié)議處理時間氧枣，提高報文傳輸?shù)膶崟r性便监。 為確保EPA系統(tǒng)運行的可靠性茬贵，《EPA標準》中還針對工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境解藻，增加了媒體接口選擇規(guī)范與線纜安裝導(dǎo)則。 商用通信線纜（如五類雙絞線啡浊、同軸線纜扳辆、光纖等）均可應(yīng)用于EPA系統(tǒng)中雷镀，但必須滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境的可靠性要求兆剃，如使用屏蔽雙絞線代替非屏蔽雙絞線被核。 EPA網(wǎng)絡(luò)支持其他以太網(wǎng)/無線局域網(wǎng)/藍牙上的其他協(xié)議（如FTP勃提、HTTP凹尺、SOAP，以及MODBUS、ProfiNet派阱、Ethernet/IP協(xié)議）報文的并行傳輸诬留。這樣贫母，IT領(lǐng)域的一切適用技術(shù)、資源和優(yōu)勢均可以在EPA系統(tǒng)中得以繼承盒刚。 6 腺劣、分層的安全策略 對于采用以太網(wǎng)等技術(shù)所帶來的網(wǎng)絡(luò)安全問題，《EPA標準》規(guī)定了從企業(yè)信息管理層因块、過程監(jiān)控層和現(xiàn)場設(shè)備層三個層次橘原，采用分層化的網(wǎng)絡(luò)安全管理措施。 EPA現(xiàn)場設(shè)備采用特定的網(wǎng)絡(luò)安全管理功能塊涡上，對其接收到的任何報文進行訪問權(quán)限趾断、訪問密碼等的檢測，使只有合法的報文才能得到處理吩愧，其他非法報文將直接予以丟棄芋酌，避免了非法報文的干擾。 在過程監(jiān)控層慎瓮，采用EPA網(wǎng)絡(luò)對不同微網(wǎng)段進行邏輯隔離菜臣，以防止非法報文流量干擾EPA網(wǎng)絡(luò)的正常通信，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源捧法。 對于來自于互聯(lián)網(wǎng)上的遠程訪問萄天，則采用EPA代理服務(wù)器以及各種可用的信息網(wǎng)絡(luò)安全管理措施，以防止遠程非法訪問裹五。 7 卦须、冗余 EPA支持網(wǎng)絡(luò)冗余、鏈路冗余和設(shè)備冗余捅县，并規(guī)定了相應(yīng)的故障檢測和故障恢復(fù)措施摊壳，如設(shè)備冗余信息的發(fā)布、冗余狀態(tài)的管理网访、備份的自動切換等悯歇。 8、EPA產(chǎn)品 浙大中控自上個世紀九十年代開始质法，就一直致力于實時以太網(wǎng)技術(shù)的研究风捌。以浙大中控為主聯(lián)合中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、重慶郵電學(xué)院妄迁、大連理工大學(xué)寝蹈、清華大學(xué)開發(fā)了一系列基于EPA標準的產(chǎn)品，如現(xiàn)場設(shè)備通信模塊、現(xiàn)場控制器箫老、變送器封字、數(shù)據(jù)采集器、無紙記錄儀耍鬓、執(zhí)行器阔籽、總線供電方式以太網(wǎng)集線器等。 這些產(chǎn)品滿足了適用于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的電磁兼容性牲蜀、氣候環(huán)境適應(yīng)性笆制、機械環(huán)境適應(yīng)性、環(huán)境安全適應(yīng)性等要求涣达，已經(jīng)在化工在辆、石化、電力度苔、制藥等多個領(lǐng)域的典型裝置上獲得了成功應(yīng)用匆篓。 9、EPA應(yīng)用 “EPA的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)”在某化工廠三套純堿碳化生產(chǎn)裝置上進行示范應(yīng)用對《EPA標準》進行驗證余窖。 “EPA的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)”于2003年4月20日經(jīng)過調(diào)試正式投運猾妖，至今系統(tǒng)一直穩(wěn)定可靠地運行，并得到用戶的好評罐葫。 根據(jù)三套聯(lián)堿碳化裝置原有測點的實際情況兵雪，本系統(tǒng)將三套聯(lián)堿碳化裝置的I/O點劃分為三個控制區(qū)域，如圖中所示（圖中信號組①屋迄、②晒茁、③、④的信號連接情況如表1所示）： 每個控制區(qū)域設(shè)置一個EPA現(xiàn)場控制器答海、一個網(wǎng)絡(luò)供電型EPA-HUB以及若干個EPA輸入/輸出通信模塊捷嘁； 每個控制區(qū)域通過EPA現(xiàn)場控制器連接到系統(tǒng)主干網(wǎng)上； 操作站壁万、工程師站通過以太網(wǎng)交換機連接到主干網(wǎng)上鳍彪。 應(yīng)用系統(tǒng)特點（援引用戶的評價）： 確保了通信的實時性 增強了系統(tǒng)安全性 提高了系統(tǒng)可靠性 10 、EPA推廣 |
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