EPA工业以太网技术
1、EPA简介 EPA实时以太网，是一种全新的适用于工业现场设备的开放性实时以太网标准，EPA将大量成熟的IT技术应用于工业控制系统，利用高效、稳定、标准的以太网和UDP/IP协议的确定性通信调度策略，为适用于现场设备的实时工作建立了一种全新的标准。这一项目得到了中国政府“863”高科技研究与发展计划的支持。 目前，由浙江大学、浙大中控`共同主持，联合中国科学院沈阳自动化所、清华大学、大连理工大学、重庆邮电学院、上海工业自动化仪表研究所、北京华控技术有限责任公司、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所等共同起草制定的《用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信规范》已经通过了TC124/SC4的技术审查，成为我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准。同时，该标准成功进入IEC标准体系，被IEC作为PAS标准形式公开发布，也被正在制定的实时以太网国际标准IEC61784-2收录，作为第14族实时以太网协议。这是迄今为止，中国工业自动化领域第一个被国际认可和接受的标准。 2、确定性通信 以太网由于采用CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）介质访问控制机制，因此具有通信“不确定性”的特点，并成为其应用于工业数据通信网络的主要障碍。 虽然以太网交换技术、全双工通信技术以及IEEE802.1p&q规定的优先级技术在一定程度上避免了碰撞，但也存在着一定的局限性： （1）以太网交换机的存储转发机制同样使通信延迟具有不确定性。通信延迟的不确定性主要来自于其排队延迟。无论采用哪种存储转发机制，当同时来自于多个端口的报文需要向同一个端口转发时，交换机就必须将这些报文进行排队缓冲，并依次转发。因此，交换机的缓冲池大小将直接影响了来自于某一端口的报文能否以及何时被成功转发。 （2）以太网交换机存在的“广播风爆”问题。工业数据通信网络中广泛采用广播方式发送的实时数据报文，同样会产生碰撞。 除了通信实时性要求外，工业数据通信网络的通信还具有以下特点： （1）周期与非周期信息同时存在，正常工作状态下，周期性信息（如过程测量与控制信息、监控信息等）较多，而非周期信息（如突发事件报警、程序上下载等）较少； （2）有限的时间响应，一般办公室自动化计算机局部网响应时间可在几秒范围内，而工业控制局域网的响应时间应在0.01-1秒； （3）信息流向具有明显的方向性，通信关系比较确定。正常工作情况下，变送器只需将测量信息传送到控制器，而控制器则将控制信息传送给执行机构，来自现场仪表的过程监控与突发时间信息则传向操作站，操作站一般只需将下载的程序或配置数据传送给现场仪表等； （4）根据组态方案，信息的传送遵循严格的时序； （5）传输的信息量少，信息长度比较小，通常仅为几位或几个、十几、几十个字节；网络吞吐量小； （6）网络负荷较为平稳。 EPA系统中，根据通信关系，将控制现场划分为若干个控制区域，每个区域通过一个EPA网桥互相分隔，将本区域内设备间的通信流量限制在本区域内；不同控制区域间的通信由EPA网桥进行转发；在一个控制区域内，每个EPA设备按事先组态的分时发送原则向网络上发送数据，由此避免了碰撞，保证了EPA设备间通信的确定性和实时性。 3、“E”网到底 EPA是应用于工业现场设备间通信的开放网络技术，采用分段化系统结构和确定性通信调度控制策略，解决了以太网通信的不确定性问题，使以太网、无线局域网、蓝牙等广泛应用于工业企业管理层、过程监控层网络的COTS（Commercial Off-The-Shelf）技术直接应用于变送器、执行机构、远程I/O、现场控制器等现场设备间的通信。 采用EPA网络，可以实现工业企业综合自动化智能工厂系统中从底层的现场设备层到上层的控制层、管理层的通信网络平台基于以太网技术的统一，即所谓的“E（Ethernet）网到底”。 采用EPA，可实现工业企业智能工厂中垂直和水平两个方向的信息无缝集成： 通过EPA网络通信平台提供的实时数据通信服务，来自不同厂商的现场智能设备和应用程序可以实现信息透明互访和互可操作。 采用EPA网络，可以实现智能工厂中从管理层、控制层直至现场设备层等所有网络层基于以太网的信息无缝集成，用户可以在世界的任何地方通过其访问权限，直接通过常用的工具或软件（而不是专用软件）访问智能工厂中的任何一个设备。 利用EPA开放网络平台，可以实现传统控制系统（如DCS、PLC）与基于EPA的现场总线控制系统FCS之间的信息无缝集成，使得工业现场设备中的大量控制和非控制信息能够无缝地传递到制造执行层和企业管理层系统，通过信息集成创新技术、数据综合利用技术、数据增值挖掘技术等，对工业企业生产全过程实现高效智能化管理。 4、互可操作 与传统的4-20mA标准不同，工业数据通信网络不仅要解决信号的互通和互连，更需要解决信息的互通问题，即信息的互相识别、互相理解和互可操作。 所谓信号的互通，即两个需要互相通信的设备所采用的通信介质、信号类型、信号大小、信号的输入/输出匹配等几方面的参数符合同一标准，即物理层标准。在此基础上，采用统一的数据链路层协议，不同的设备就能连接在同一网络上实现互连。 如今，几乎所有的控制系统都采用了以太网、TCP/IP协议作为其通信网络，实现了设备的互连。但是，如果仅采用以太网、TCP/IP协议，而没有统一的高层协议（如应用层协议），不同设备之间还不能相互理解、识别彼此所传送的信息含义，就不能实现信息互通，也就不可能实现开放系统之间的互可操作。 为此，《EPA标准》除了解决实时通信问题外，还为用户层应用程序定义了应用层服务与协议规范，包括系统管理服务、域上/下载服务、变量访问服务、事件管理服务等。至于ISO/OSI通信模型中的会话层、表示层等中间层次，为降低设备的通信处理负荷，可以省略，而在应用层直接定义与TCP/IP协议的接口。 为支持来自不同厂商的EPA设备之间的互可操作，《EPA标准》采用XML（eXtensible Markup Language）扩展标记语言为EPA设备描述语言，规定了设备资源、功能块及其参数接口的描述方法。用户可采用Microsoft 提供的通用DOM技术对EPA设备描述文件进行解释，而无需专用的设备描述文件编译和解释工具。 5 、开放性 《EPA标准》完全兼容IEEE802.3、IEEE802.1P&Q、IEEE802.1D、IEEE802.11、IEEE802.15以及UDP（TCP）/IP等协议，采用UDP协议传输EPA协议报文，以减少协议处理时间，提高报文传输的实时性。 为确保EPA系统运行的可靠性，《EPA标准》中还针对工业现场应用环境，增加了媒体接口选择规范与线缆安装导则。 商用通信线缆（如五类双绞线、同轴线缆、光纤等）均可应用于EPA系统中，但必须满足工业现场应用环境的可靠性要求，如使用屏蔽双绞线代替非屏蔽双绞线。 EPA网络支持其他以太网/无线局域网/蓝牙上的其他协议（如FTP、HTTP、SOAP，以及MODBUS、ProfiNet、Ethernet/IP协议）报文的并行传输。这样，IT领域的一切适用技术、资源和优势均可以在EPA系统中得以继承。 6 、分层的安全策略 对于采用以太网等技术所带来的网络安全问题，《EPA标准》规定了从企业信息管理层、过程监控层和现场设备层三个层次，采用分层化的网络安全管理措施。 EPA现场设备采用特定的网络安全管理功能块，对其接收到的任何报文进行访问权限、访问密码等的检测，使只有合法的报文才能得到处理，其他非法报文将直接予以丢弃，避免了非法报文的干扰。 在过程监控层，采用EPA网络对不同微网段进行逻辑隔离，以防止非法报文流量干扰EPA网络的正常通信，占用网络带宽资源。 对于来自于互联网上的远程访问，则采用EPA代理服务器以及各种可用的信息网络安全管理措施，以防止远程非法访问。 7 、冗余 EPA支持网络冗余、链路冗余和设备冗余，并规定了相应的故障检测和故障恢复措施，如设备冗余信息的发布、冗余状态的管理、备份的自动切换等。 8、EPA产品 浙大中控自上个世纪九十年代开始，就一直致力于实时以太网技术的研究。以浙大中控为主联合中国科学院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、大连理工大学、清华大学开发了一系列基于EPA标准的产品，如现场设备通信模块、现场控制器、变送器、数据采集器、无纸记录仪、执行器、总线供电方式以太网集线器等。 这些产品满足了适用于工业现场应用的电磁兼容性、气候环境适应性、机械环境适应性、环境安全适应性等要求，已经在化工、石化、电力、制药等多个领域的典型装置上获得了成功应用。 9、EPA应用 “EPA的分布式网络控制系统”在某化工厂三套纯碱碳化生产装置上进行示范应用对《EPA标准》进行验证。 “EPA的分布式网络控制系统”于2003年4月20日经过调试正式投运，至今系统一直稳定可靠地运行，并得到用户的好评。 根据三套联碱碳化装置原有测点的实际情况，本系统将三套联碱碳化装置的I/O点划分为三个控制区域，如图中所示（图中信号组①、②、③、④的信号连接情况如表1所示）： 每个控制区域设置一个EPA现场控制器、一个网络供电型EPA-HUB以及若干个EPA输入/输出通信模块； 每个控制区域通过EPA现场控制器连接到系统主干网上； 操作站、工程师站通过以太网交换机连接到主干网上。 应用系统特点（援引用户的评价）： 确保了通信的实时性 增强了系统安全性 提高了系统可靠性 10 、EPA推广 |
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