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基于EPA的工业以太网确定性研究

来源:阮冬茹 谢东光/www.chuandong.com2008.08.03阅读 4551

        1 概述

  “用于工业测量与控制系统的EPA(Ethernet for Plant Automation)系统结构和通信标准”是一种基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息网络通信技术,适用于工业自动化控制系统装置和仪器仪表间相互通信的工业控制网络通信标准。

  工业控制网络需要通过控制信息的传递驱动事件的发生CONTROL ENGINEERING China版权所有,因此网络的高实时性是首先要保证的控制工程网版权所有,一般不允许有秒级的延迟,特殊场合甚至要求到毫秒级。实时性包括两方面要求,一是传输速度要快,即网络通信速率要高;二是响应时间要短,响应时间由现场设备控制中断的能力、信息在通信系统的传输时间、等待网络空闲的时间以及避免信息在网络上碰撞的时间等方面决定。控制网络在时间上的确定性则表现为任务(如功能块的执行)在时间上是可以预测的,要求最大值是可预知的并小于一定值。工业以太网的实时性和确定性既相互联系又各自代表不同的性能要求。

  由于以太网采用CSMA/CD介质访问方式,使得从根本上讲传统以太网是不确定的,这也是最初阻碍以太网进入工业控制领域的主要障碍。随着全双工交换式以太网的出现CONTROL ENGINEERING China版权所有,传统以太网不确定性的缺点不复存在,网络通信的速度和效率取决于交换机。为了减少交换机对以太网通信速度和效率的负面影响,在架构以太网时对交换技术的选择成为重点考虑的问题。采用先进的交换技术、VLAN技术、优先级处理技术等成为工业以太网实时性能提高的重要支撑。与此同时,各大开发商也纷纷采用在应用层制定实时通信协议的方法来提高以太网实时性能,这样既不改变以太网原有结构,保留了以太网简单、价廉的优势,同时达到的实时性的要求,成为目前改善工业以太网实时性能的主要手段。现已发布的工业以太网标准均采用了此方法。本文通过对EPA通信结构及通信调度策略的分析,讨论了EPA工业以太网的确定性问题,为进一步实现具备确定控制性能的EPA工业以太网提供了参考。

        2 EPA工业以太网体系结构

  从系统的层次关系来分,EPA分为过程监控层和现场设备层两层。依据EPA现场设备间的通信耦合关系和物理安装位置,现场设备层可分为若干个子网段或控制区域。子网段内的EPA设备通过以太网交换机连接,采用EPA通信协议进行通信。子网段间通过EPA网桥与其他网段和现场设备层网段逻辑隔离,保证了子网段内的通信数据不流经其他网段控制工程网版权所有,减少了网段负载,提高实时性和安全性。

  EPA通信模型参照ISO/OSI模型,分为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层,并增加了用户层,构成六层结构通信模型。见图1[1]。

基于EPA的工业以太网确定性研究如图


  EPA物理层和数据链路层采用IEEE802系列,即有线部分以太网标准IEEE802.3、无线局域网IEEE802.11和蓝牙无线通信IEEE802.15。为提高实时性,在数据链路层中的MAC层上增加了一个通信调度管理实体,负责管理实时EPA通信与非实时网络通信的并行运行。该通信调度管理实体将网络中的通信报文分为周期报文和非周期报文,周期报文包括与过程控制有关的数据,优先级最高。非周期报文包括事件通知、应用数据等,依数据类别分别赋予不同的优先级www.cechina.cn,再按优先级依次发送。所有EPA设备按周期进行通信。EPA应用层为EPA设备之间周期和非周期数据通信提供通道和服务接口,分为EPA实时通信规范和非实时通信规范。实时通信规范包括EPA应用层服务和EPA套接字映射接口两个层次[2]。

         3 EPA工业以太网确定性分析

  3.1 影响工业以太网确定性因素

  工业控制网络的确定性主要用于描述系统可预测的响应时间和时延,即网络中任意两节点通信,从信息发送到信息接收之间全部延迟的最大时间是确定的。

  一个EPA现场设备信息到达另一个EPA现场设备的信息延迟依赖于系统的实现。按信息的传输流程分为[3]:(1)发送站高层处理和排队延迟Tup-send(2)发送站MAC层排队延迟TMAC-send(3)信息发送延迟Tsend(4)信息传播延迟Ttrans(5)接受站高层处理和排队延迟Tup-rec(6)接受站MAC层排队延迟TMAC-rec ,若总延迟时间为Tdelay ,则:

  

基于EPA的工业以太网确定性研究如图

图2 现场智能设备间信息延迟的组成

  由此可见,该延迟是由网络和主机共同决定的,高层处理和排队延迟依赖主机的系统软件和处理器/存储器的速度;以太网的信息发送延迟取决于帧的长度和网络带宽;传播延迟由传输距离和信号在介质中的传播速度决定;接受站MAC层排队延迟取决于接收站处理器响应MAC层中断的时间;发送站M

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