-
-
手机阅读
基于EPA的工业以太网确定性研究 |
| 摘 要：通过对EPA通信结构和EPA通信调度策略的分析，讨论了EPA工业以太网中影响其确定性的可能因素，介绍了EPA网络中MAC介质访问层对各种传输数据的处理方法，得出了EPA工业以太网确定性的结论，为进一步设计实现EPA工业以太网提供了参考。 关键词：工业以太网; EPA; 确定性 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，因此网络的高实时性是首先要保证的，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，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，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]。  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，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：  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MAC层排队延迟由MAC层协议决定。 在计算机网络日益发展的今天，高层处理和排队延迟随着主机处理器/存储器速度的提高和系统软件的不断完善在整个时间延迟中所占分量越来越少，并且该延迟是可以预测的，在确定性分析中不再讨论;由于实际应用中对实时性要求高的数据帧的长度较短，又由于目前普遍应用的是100M以至更高速以太网这两方面的因素，信息发送延迟也可忽略不计，并且该延迟也是可以预测的;EPA系统分为不同的微网段，这使得由传输距离和信号传播速度决定的传播延迟还可忽略不计，并且该延迟仍是可以预测的;由接收站处理器的中断处理能力来决定的接收站MAC层排队延迟依然可以预测;只有由MAC层协议决定的发送站排队延迟受介质访问协议的约束，传统以太网的自由竞争机制被称为“不确定网络”即源于此。采用全双工交换式以太网，改变了CSMA/CD机制，使得信息传输延迟只由交换机的延迟所致，网络通信的速度和效率取决于交换机。为了减少交换机对整个网络速度和效率的影响，组网时要尽量避免跨多个交换机通信，将经常交换数据的设备放在一个网段。由此可以得出：在目前网络技术的发展情况下，现场智能处理单元的处理速度和发送站MAC层介质访问调度方法是传输延迟的主要原因。 3.2 EPA通信调度 EPA根据不同信息的传输要求，采用三种通信方式：客户/服务器型、报告分发型、发布者/预定者型，分别满足高实时性、可靠性及节省网络资源等多方面需求。 EPA网络中传输的数据包括基本设备信息、设备组态信息、过程测量与控制信息、以及报警等信息。根据信息向网络上发送的特点，可以分为周期性信息和非周期性信息。周期性信息主要是测量和控制信息，这些信息周期性发送，通常按照一定的时间间隔触发，实时性要求较高，并对执行时间有截止期要求，同时测量和控制信息的传送有一定的顺序性，信息流有明显的方向性;非周期信息主要是用户操作指令、组态信息和报警，信息长度小，随机触发，通常为几个比特到几十字节，信息量少。非周期信息中，设备组态等信息对实时性要求不高，但需保证可靠性。而报警等信息则有较高的实时性要求。一般实时数据都较短，对于大多数实时数据而言，只有最新数据才是有意义的，因此不会要求重发。工业应用中周期性信息较多，非周期信息较少。 EPA系统中，每个控制区域即微网段中，现场智能设备相互通信，不同微网段间的通信要由EPA网桥转发。在一个微网段内，所有设备按周期通信。一个通信周期分为两个阶段：周期报文发送阶段Tp和非周期报文发送阶段Tn。周期报文的发送优先级最高，各个设备采用生产者/消费者通信模型按事先组态好的顺序发送，当节点执行时间来到，现场设备就把需要发送的信息广播到整个网段，网段内所有设备节点均可“看”到，只有与之对应的消费者节点将数据接收。因此周期性发送的数据具有时间确定性。非周期信息的调度总是在周期性调度的两次调度间隙进行，因此非周期信息发送的持续时间不能超过该限值。对于报警信息等短数据帧信息，能够保证在规定时限内完成，而对于系统配置信息、上载程序等传输要求，数据量较大，同时需保证可靠性的情况，整个传输过程就必须借助网络速率和现场智能处理单元处理速度的提高来保证，因此在设计微网段时需仔细考虑。对于网段内随机产生的非周期信息由总线仲裁者通过轮询方式按照优先级进行管理，只有当某个节点接到满足优先级条件的发送许可后，该节点的非周期信息才允许发送。在非周期信息发送阶段，EPA总线仲裁者可以自动调节令牌优先级以实现信息在规定的时间范围内顺利发送，保证系统可靠运行。 4 结论 通过分析EPA通信结构及通信调度策略可以看出：EPA工业以太网的在响应时间的确定性方面有一定程度的保证，可以根据企业实际情况以及性能要求在网络架构、网络关键部件的选择、现场智能设备的选择等方面精心设计，从而达到工业控制要求。控制网络实时性能的提高是控制网络确定性保证的基础，笔者认为目前的关键工作是提高现场设备的处理速度和智能化水平，同时完善网络的时钟同步工作。 |
