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EPA简介EPA(EthernetforPlantAutomation)是在国标化管理委员、全国工业过程测量与控制原则化技术委员会支持下,由浙江大学、浙江中控技术有限公司、中华人民共和国科学院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、清华大学、大连理工大学、上海工业自动化仪表研究所、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、北京华控技术有限责任公司等单位联合成立原则起草工作组,通过3年多技术攻关,而提出基于工业以太网实时通信控制系统解决方案。EPA实时以太网技术攻关,以国家863筹划CIMS主题系列课题基于高速以太网技术现场总线控制设备、现场级无线以太网合同研究及设备开发、基于'蓝牙'技术工业现场设备、监控网络其及核心技术研究,以及基于EPA分布式网络控制系统研究和开发、基于EPA产品开发仿真系统等滚动课题为依托,先后解决了以太网用于工业现场设备间通信拟定性和实时性、网络供电、互可操作、网络安全、可靠性与抗干扰等核心性技术难题,开发了基于EPA分布式网络控制系统,一方面在化工、制药等生产装置上获得成功应用。在此基本上,原则起草工作组起草了国内第一种拥有自主知识产权现场总线国标《用于工业测量与控制系统EPA系统构造与通信规范》。同步,该原则被列入现场总线国际原则IEC61158(第四版)中第十四类型,并列为与IEC61158相配套实时以太网应用行规国际原则IEC61784-2中第十四应用行规簇(CommonProfileFamily14,CPF14),标志着中华人民共和国第一种拥有自主知识产权现场总线国际原则―――EPA得到国际电工委员会正式承认,并全面进入现场总线国际原则化体系。EPA核心技术1.分布式精准时钟同步基于IEEE1588精准时钟同步合同,EPA采用专利时钟同步技术,将网络中各节点间时钟同步精度控制在1us之内,满足时间同步规定高应用场合。2.拟定性通信针对普通以太网数据碰撞、报文传播延时和通信响应不拟定问题,EPA采用基于专利拟定性通信调度技术,变“随机发送”为“拟定发送”,实现了通信“拟定性”。将整个网络数据传播阶段分为周期数据传播阶段和非周期数据传播阶段:①在周期数据传播时段,创造了基于角色平等周期数据拟定性传播调度办法;②在非周期数据传播时段,创造了基于优先级抢占式调度非周期数据传播技术;通过该技术保证了EPA控制网络中数据传播拟定性。图1EPA基于专利拟定性通信调度技术EPA继承了以太网报文格式,即不增长以太网数据链路层服务和TCP/IP接口参数,将以太网报文按一定期序和优先级发送到网络上,从而避免了报文冲突与碰撞,实现了工业数据传播拟定性。最为独特是,在EPA控制系统中,各设备通信角色地位平等,无主从之分,任何一种设备故障不会影响整个系统中其她设备通信,避免了主从式、令牌式通信控制方式中由于主站或令牌主站故障引起整个系统通信故障。3.强实时性通信EPA基于专利实时通信办法,将以太网通信通道划分为三个某些:同步实时通道、非同步实时通道和非实时通道(如图2所示),其中:••同步实时通道,用于传播有最高通信响应性能规定同步数据传播,其优先级最高。非同步实时通道,用于传播有较高通信响应性能规定非同步数据传播,如组态数据等,其优先级次高。非实时通道则用于传播HTTP等对通信实时性无特殊规定原则以太网报文,其优先级最低。实时数据得以优先传播,减少了通信排队解决延迟,提高了工业以太网通信实时性。图2EPA合同实时通道RTE与EPA非实时通道示意图4.网络可靠性与高可用性技术高可靠性与高可用性是工业控制网络核心,它规定在任一网络故障下,系统可以迅速探测到故障,并能在可接受时间范畴内恢复正常。针对工业控制网络高可靠性与高可用性规定,EPA定义了DRP合同(EPA分布式冗余网络合同)。对环形网络,它是基于专利积极并行故障探测技术,分散了故障风险,大大缩短了环形网络自愈时间。对核心终端设备,EPA基于专利数据并行传播与无扰动切换技术,实现了工作设备与备份设备自动无扰动切换。图3环型网络故障探测与恢复示意图并行冗余网络通信示意图EPA原则体系1.EPA概述EPA是EthernetforPlantAutomation缩写,是一种全新基于实时以太网技术,其合用于测量、控制等工业场合,是一种双向、串行、多节点开放实时以太网数字通信技术。涉及EPA-RT(用于过程自动化)和EPA-FRT(用于工厂自动化)两某些。是国内自主制定第一项工业自动化国际原则。••5月8日,成为中华人民共和国第一种拥有自主产权现场总线国标(GB/T1-)12月14日,成为中华人民共和国第一种拥有自主知识产权新一代现场总线国际原则(IEC61158/Type14)12月14日,成为工业自动化领域由中华人民共和国主持制定第一种实时以太网国际原则(IEC61784-2/CPF14)n,EPA冗余网络合同DRP被接受为高可用性国际原则(IEC62439-6)•1月,EPA功能安全通信EPASafety被接受为功能安全国际原则(IEC61784-3-14)5月,EPA线缆与安装技术被接受为国际原则(IEC61784-5-14)•EPA原则体系涉及EPA国际原则和EPA国标两某些。2.EPA国际原则体系族EPA国际原则体系,涉及1个核心技术国际原则和4个EPA应用技术原则。以EPA为核心系列国际原则为新一代控制系统提供了高性能现场总线完整解决方案,可广泛应用于过程自动化、工厂自动化(涉及数控系统、机器人系统运动控制等)、汽车电子等,可将工业公司综合自动化系统网络平台统一到开放以太网技术上来。基于EPAIEC国际原则体系•EPA现场总线合同(IEC61158/Type14)在不变化以太网构造前提下,定义了专利拟定性通信合同,避免工业以太网通信报文碰撞,保证了通信拟定性,同步也保证了通信过程中不丢包。•EPA分布式冗余合同DRP(IEC62439-6)针对工业控制以及网络高可用性规定,DRP(DistributedRedundancyProtocol)采用专利设备并行数据传播管理和环网链路并行积极故障探测与恢复技术,实现了故障迅速定位与迅速恢复,保证了网络高可靠性。•EPA功能安全通信合同EPASafety(IEC61784-3-14)针对工业数据通信中存在数据破坏、重传、丢失、插入、乱序、伪装、超时、寻址错误等风险,EPASafety功能安全通信合同采用专利工业数据加解密办法、工业数据传播多重风险综合评估与复合控制技术,将通信系统安全完整性水平提高到SIL3级别,并通过德国莱茵TÜV认证。•EPA实时以太网应用技术合同(IEC61784-2/CPF14)定义了三个应用技术行规,即EPA-RT、EPA-FRT和EPA-nonRT。其中EPA-RT用于过程自动化,EPA-FRT用于工厂自动化,EPA-nonRT用于普通工业场合。•EPA线缆与安装原则(IEC61784-5-14)定义了基于EPA工业控制系统在设计、安装和工程施工中规定。从安装筹划,网络规模设计,线缆和连接器选取、存储、运送、保护、路由以及详细安装实行等各个方面提出了明确规定和指引。3.EPA国标体系族•••••工业控制网络安全风险评估规范(GB/T1.1-)(待出版)用于工业测量与控制系统EPA合同一致性测试规范(GB/T1.2)(待出版)用于工业测量与控制系统EPA互可操作测试规范(GB/T1.3)(待出版)用于工业测量与控制系统EPA功能块技术规范(GB/T1.4)(待出版)用于工业测量与控制系统EPA规范第5某些:网络安全规范(GB/T1.5)(待出版)•EPA实时性测试规范(GB/T1.6)(待出版)EPA-RT技术简介1商业以太网应用于工业通信存在重要问题以太网是指遵循IEEE802.3原则,可以在光缆和双绞线上传播网络。当前以太网采用星型和总线型构造,传播速率为10Mb/s,100Mb/s,1000Mb/s或更高。以太网产生延迟重要因素是冲突,其根源在于它所采用CSMA/CD技术。在老式共享网络中,由于以太网中所有设备,采用相似物理介质相连,这就意味着2台或以上设备同步发出信号时,就会浮现信号间互相冲突。为理解决这个问题,以太网规定,在一种站点访问介质前,必要先监听网络上有无其她站点在同步使用该介质,如果有则必要等待。由于网络中存在信号传播延时,因而当2台设备同步或相隔很短时间内同步发送报文,就会浮现同步访问介质状况,此时就发生了冲突。为了减少冲突发生几率,以太网常采用1-持续CSMA,非持续CSMA,P-持续CSMA算法。图1信道运用率S与信道负载量G关系图由错误!未找到引用源。可知当网络负荷较低时(G取值在1附近)信道运用率S较高。当网络负荷较高时(G≥4),有两种状况浮现:(1)P取值较大时(例如1和0.5),信道上会产生大量数据包冲突,许多数据包必要延时重发,从而导致信道运用率急剧减少,信道通信能力也会大大减少;(2)P取值较低时或为0时,表面上信道运用率S不会急剧下降,事实上咱们由P取值很小可知,数据包及时发出概率非常小(例如P=0.01),数据包很大也许会延时重发。综合上述两种状况可知,采用普通P—persistentCSMA算法,不论P取值大小或为0,当网络负荷较重时,都会导致大量数据包延时重发,这对实时性规定高网络特别是工业控制网是不能忍受。以太网成本比工业网络低,技术透明度高,特别是它遵循IEEE802.3合同为各现场总线厂商大开了以便之门。但是,由于以太网是以办公自动化为目的设计,并不完全符合工业环境和原则规定,将老式以太网用于工业领域还存在着明显缺陷。要使以太网符合工艺上规定,还必要克服如下缺陷。1.1拟定性问题由于以太网MAC层合同是CSMA/CD,该合同使得在网络上存在冲突,特别是在网络负荷过大时,更加明显。对于一种工业网络,如果存在着大量冲突,就必要得多次重发数据,使得网间通信不拟定性大大增长。而对于日后发展基于互换机全双工以太网来说,虽然可以丢弃CSMA/CD机制而不产生报文冲突,但是仍旧存在不拟定问题。考虑如下状况,当一种网段中有诸多设备(例如5000个)正好在同一时刻都发出了报文,并且目地址是同一种,那么对于与之相连互换机来说,只能是将这些报文缓存成队列,然后一种一种将其转发出去,那么排在队列头和尾报文达届时间就至少相差5000个报文发送时间,这对于工业控制网络来说是一种非常大不拟定性。在工业控制网络中这种从一处到另一处不拟定性,必然会带来系统控制性能减少。要想将以太网真正应用到工业控制领域,报文传播不拟定性必要得到解决。因而,急需找到一种保证报文传播畅通、拟定有效办法。1.2实时性问题在工业控制系统中,实时可定义为系统对某事件反映时间可测性。也就是说,在一种事件发生后,系统必要在一种可以精确预见时间范畴内做出反映。同步,工业上对数据传递实时性规定十分严格,数据更新普通规定在数十毫秒甚至数百微秒内完毕。由于以太网存在CSMA/CD机制,它基本工作原理是:某节点要发送报文时,一方面监听网络,如网络忙,则等到其空闲为止,否则将及时发送;如果两个或更多节点监听到网络空闲并同步发送报文时,它们发送报文将发生冲突,因而每个节点在发送时,还必要继续监听网络。当检测到两个或更各种报文之间浮现碰撞时,节点及时停止发送,并等待一段随机长度时间后重新发送。该随机时间将由原则二进制指数补偿算法拟定。重发前时间在0~(2i-1)之间时间片中随机选取(此处i代表被节点检测到第i次碰撞事件),一种时间片为重发循环所需最小时间。但是,在10次碰撞发生后,该间距将被冻结在最大时间片(即1023)上,16次碰撞后,控制器将停止发送并向节点微解决器回报失败信息。以太网上存在冲突问题,影响了以太网数据吞吐量和传播延时,并导致以太网实际性能下降。在一系列冲突后,报文也许会丢失,因而节点与节点之间通信将无法得到保障。这种影响对有实时规定控制系统尤为严重。很明显以太网解决冲突机制是以付出时间为代价。并且一但浮现数据延时,那怕是仅仅几秒种时间,就有也许导致整个生产停止甚至是设备,人身安全事故。特别,在强实时控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