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(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)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(dòng)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(dòng)事件的發(fā)生，因此網(wǎng)絡(luò)的高實(shí)時(shí)性是首先要保證的，一般不允許有秒級(jí)的延遲，特殊場合甚至要求到毫秒級(jí)。實(shí)時(shí)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(shí)間要短，響應(yīng)時(shí)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(shí)間、等待網(wǎng)絡(luò)空閑的時(shí)間以及避免信息在網(wǎng)絡(luò)上碰撞的時(shí)間等方面決定?？刂凭W(wǎng)絡(luò)在時(shí)間上的確定性則表現(xiàn)為任務(wù)（如功能塊的執(zhí)行）在時(shí)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(shí)時(shí)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(jìn)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(diǎn)不復(fù)存在，網(wǎng)絡(luò)通信的速度和效率取決于交換機(jī)。為了減少交換機(jī)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(shí)對交換技術(shù)的選擇成為重點(diǎn)考慮的問題。采用先進(jìn)的交換技術(shù)、VLAN技術(shù)、優(yōu)先級(jí)處理技術(shù)等成為工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性能提高的重要支撐。與此同時(shí)，各大開發(fā)商也紛紛采用在應(yīng)用層制定實(shí)時(shí)通信協(xié)議的方法來提高以太網(wǎng)實(shí)時(shí)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(jià)廉的優(yōu)勢，同時(shí)達(dá)到的實(shí)時(shí)性的要求，成為目前改善工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性能的主要手段?，F(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(jìn)一步實(shí)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(gè)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(jī)連接，采用EPA通信協(xié)議進(jìn)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性，在數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC層上增加了一個(gè)通信調(diào)度管理實(shí)體，負(fù)責(zé)管理實(shí)時(shí)EPA通信與非實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信的并行運(yùn)行。該通信調(diào)度管理實(shí)體將網(wǎng)絡(luò)中的通信報(bào)文分為周期報(bào)文和非周期報(bào)文，周期報(bào)文包括與過程控制有關(guān)的數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)最高。非周期報(bào)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(jí)，再按優(yōu)先級(jí)依次發(fā)送。所有EPA設(shè)備按周期進(jìn)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(shí)時(shí)通信規(guī)范和非實(shí)時(shí)通信規(guī)范。實(shí)時(shí)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(gè)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(shí)間和時(shí)延，即網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點(diǎn)通信，從信息發(fā)送到信息接收之間全部延遲的最大時(shí)間是確定的。

一個(gè)EPA現(xiàn)場設(shè)備信息到達(dá)另一個(gè)EPA現(xiàn)場設(shè)備的信息延遲依賴于系統(tǒng)的實(shí)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(duì)延遲T_up-send（2）發(fā)送站MAC層排隊(duì)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(duì)延遲T_up-rec（6）接受站MAC層排隊(duì)延遲T_MAC-rec，若總延遲時(shí)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(jī)共同決定的，高層處理和排隊(duì)延遲依賴主機(jī)的系統(tǒng)軟件和處理器/存儲(chǔ)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(hào)在介質(zhì)中的傳播速度決定;接受站MAC層排隊(duì)延遲取決于接收站處理器響應(yīng)MAC層中斷的時(shí)間;發(fā)送站MAC層排隊(duì)延遲由MAC層協(xié)議決定。

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)日益發(fā)展的今天，高層處理和排隊(duì)延遲隨著主機(jī)處理器/存儲(chǔ)器速度的提高和系統(tǒng)軟件的不斷完善在整個(gè)時(shí)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(shí)際應(yīng)用中對實(shí)時(shí)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(jì)，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(hào)傳播速度決定的傳播延遲還可忽略不計(jì)，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(duì)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(duì)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(jī)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(jī)制，使得信息傳輸延遲只由交換機(jī)的延遲所致，網(wǎng)絡(luò)通信的速度和效率取決于交換機(jī)。為了減少交換機(jī)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)速度和效率的影響，組網(wǎng)時(shí)要盡量避免跨多個(gè)交換機(jī)通信，將經(jīng)常交換數(shù)據(jù)的設(shè)備放在一個(gè)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(bào)告分發(fā)型、發(fā)布者/預(yù)定者型，分別滿足高實(shí)時(shí)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(bào)警等信息。根據(jù)信息向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的特點(diǎn)，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(shí)間間隔觸發(fā)，實(shí)時(shí)性要求較高，并對執(zhí)行時(shí)間有截止期要求，同時(shí)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(bào)警，信息長度小，隨機(jī)觸發(fā)，通常為幾個(gè)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(shí)時(shí)性要求不高，但需保證可靠性。而報(bào)警等信息則有較高的實(shí)時(shí)性要求。一般實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都較短，對于大多數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)而言，只有最新數(shù)據(jù)才是有意義的，因此不會(huì)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(gè)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(gè)微網(wǎng)段內(nèi)，所有設(shè)備按周期通信。一個(gè)通信周期分為兩個(gè)階段：周期報(bào)文發(fā)送階段Tp和非周期報(bào)文發(fā)送階段Tn。周期報(bào)文的發(fā)送優(yōu)先級(jí)最高，各個(gè)設(shè)備采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信模型按事先組態(tài)好的順序發(fā)送，當(dāng)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行時(shí)間來到，現(xiàn)場設(shè)備就把需要發(fā)送的信息廣播到整個(gè)網(wǎng)段，網(wǎng)段內(nèi)所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)均可“看”到，只有與之對應(yīng)的消費(fèi)者節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)接收。因此周期性發(fā)送的數(shù)據(jù)具有時(shí)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(jìn)行，因此非周期信息發(fā)送的持續(xù)時(shí)間不能超過該限值。對于報(bào)警信息等短數(shù)據(jù)幀信息，能夠保證在規(guī)定時(shí)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(shí)需保證可靠性的情況，整個(gè)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(jì)微網(wǎng)段時(shí)需仔細(xì)考慮。對于網(wǎng)段內(nèi)隨機(jī)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(jí)進(jìn)行管理，只有當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)接到滿足優(yōu)先級(jí)條件的發(fā)送許可后，該節(jié)點(diǎn)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(dòng)調(diào)節(jié)令牌優(yōu)先級(jí)以實(shí)現(xiàn)信息在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)順利發(fā)送，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)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(shí)間的確定性方面有一定程度的保證，可以根據(jù)企業(yè)實(shí)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(jì)，從而達(dá)到工業(yè)控制要求?？刂凭W(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(shí)完善網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步工作。

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