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1、 在周期数据传输时段，发明了基于角色平等的周期数据确定性传输调度方法； 在非周期数据传输时段,发明了基于优先级抢占式调度的非周期数据传输技术；通过该技术保证了EPA控制网络中数据传输的确定性。图1EPA基于专利的确定性通信调度技术EPA继承了以太网的报文格式,即不增加以太网数据链路层服务和TCP/IP的接口参数,将以太网报文按一定的时序和优先级发送到网络上,从而避免了报文冲突与碰撞，实现了工业数据传输的确定性。最为独特的是，在EPA控制系统中，各设备的通信角色地位平等，无主从之分，任何一个设备的故障不会影响整个系统中其他设备的通信，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的故障引起

2、的整个系统通信的故障。3. 强实时性通信EPA基于专利的实时通信方法，将以太网通信通道划分为三个部分：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，用于传输有最高通信响应性能要求的同步数据传输,其优先级最高。 非同步实时通道，用于传输有较高通信响应性能要求的非同步数据传输，如组态数据等，其优先级次高。非实时通道则用于传输HTTP等对通信实时性无特殊要求的标准以太网报文，其优先级最低。实时数据得以优先传输，减少了通信排队处理延迟,提高了工业以太网通信的实时性。图 2 EPA协议的实时通道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

3、工业控制网络的关键，它要求在任一网络故障下,系统能够迅速探测到故障，并能在可接受的时间范围内恢复正常。针对工业控制网络高可靠性与高可用性的要求，EPA定义了DRP协议（EPA分布式冗余网络协议）。对环形网络,它是基于专利的主动并行故障探测技术，分散了故障风险,大大缩短了环形网络自愈时间。对关键终端设备，EPA基于专利的数据并行传输与无扰动切换技术,实现了工作设备与备份设备的自动无扰动切换。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标准体系EPA概述 EPA是Ethernet for Plant Automation的缩写，是一种全新的基于实时以太网的技术,其适用于测量、控

4、制等工业场合，是一种双向、串行、多节点的开放实时以太网数字通信技术。包括EPA-RT（用于过程自动化）和EPAFRT（用于工厂自动化）两部分.是我国自主制定的第一项工业自动化国际标准。2006年5月8日,成为中国第一个拥有自主产权的现场总线国家标准（GB/T 20171-2006） 2007年12月14日，成为中国第一个拥有自主知识产权的新一代现场总线国际标准（IEC61158/ Type 14）2007年12月14日，成为工业自动化领域由中国主持制定的第一个实时以太网国际标准（IEC 617842 /CPF14）n 2007年，EPA冗余网络协议DRP被接收为高可用性国际标准（IEC6243

5、96）2008年1月，EPA功能安全通信EPASafety被接收为功能安全国际标准（IEC617843-14）2008年5月，EPA线缆与安装技术被接收为国际标准（IEC61784-514）EPA标准体系包括EPA国际标准和EPA国家标准两部分。EPA国际标准体系族 EPA国际标准体系,包括1个核心技术国际标准和4个EPA应用技术标准。以EPA为核心的系列国际标准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（包括数控系统、机器人系统运动控制等）、汽车电子等，可将工业企业综合自动化系统网络平台统一到开放的以太网技术上来.基于EPA的IEC国际标准体系EPA

6、现场总线协议（IEC 61158/Type14）在不改变以太网结构的前提下,定义了专利的确定性通信协议,避免工业以太网通信的报文碰撞,确保了通信的确定性，同时也保证了通信过程中不丢包. EPA分布式冗余协议DRP（IEC624396）针对工业控制以及网络的高可用性要求，DRP（Distributed Redundancy Protocol）采用专利的设备并行数据传输管理和环网链路并行主动故障探测与恢复技术，实现了故障的快速定位与快速恢复，保证了网络的高可靠性。EPA功能安全通信协议EPASafety （IEC61784-3-14）针对工业数据通信中存在的数据破坏、重传、丢失、插入、乱序、伪装、

7、超时、寻址错误等风险,EPASafety功能安全通信协议采用专利的工业数据加解密方法、工业数据传输多重风险综合评估与复合控制技术,将通信系统的安全完整性水平提高到SIL3等级,并通过德国莱茵TV的认证。EPA实时以太网应用技术协议 （IEC61784-2/CPF14）定义了三个应用技术行规,即EPART、EPA-FRT和EPAnonRT。其中EPA-RT用于过程自动化，EPA-FRT用于工厂自动化,EPAnonRT用于一般工业场合。EPA线缆与安装标准（IEC61784-5-14）定义了基于EPA的工业控制系统在设计、安装和工程施工中的要求.从安装计划，网络规模设计,线缆和连接器的选择、存储、

8、运输、保护、路由以及具体安装的实施等各个方面提出了明确的要求和指导。3.EPA国家标准体系族工业控制网络安全风险评估规范（GB/T 20171.12006）（待出版） 用于工业测量与控制系统的EPA协议一致性测试规范（GB/T 20171.2）（待出版） 用于工业测量与控制系统的EPA互可操作测试规范（GB/T 20171。3）（待出版） 用于工业测量与控制系统的EPA功能块的技术规范（GB/T 20171.4）（待出版） 用于工业测量与控制系统的EPA规范 第5部分：网络安全规范（GB/T 20171。5）（待出版） EPA实时性测试规范（GB/T 20171.6）（待出版） EPA-RT技

9、术简介1 商业以太网应用于工业通信存在的主要问题以太网是指遵循IEEE802.3标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络。当前以太网采用星型和总线型结构，传输速率为10Mb/s,100Mb/s，1000Mb/s或更高。以太网产生延迟的主要原因是冲突,其根源在于它所采用的CSMA/CD技术。在传统的共享网络中，由于以太网中所有的设备，采用相同的物理介质相连，这就意味着2台或以上的设备同时发出信号时,就会出现信号间的互相冲突.为了解决这个问题,以太网规定,在一个站点访问介质前，必须先监听网络上有没有其他站点在同时使用该介质，如果有则必须等待.由于网络中存在信号传输延时，因此当2台设备同时或相隔很短的时

10、间内同时发送报文,就会出现同时访问介质的情况，此时就发生了冲突。为了减少冲突发生的几率，以太网常采用1持续CSMA，非持续CSMA,P持续CSMA的算法。图 1信道利用率S与信道负载量G关系图由图 1可知当网络负荷较低时（G的取值在1附近）信道的利用率S较高。当网络的负荷较高时（G4），有两种情况出现：（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，许多数据包必须延时重发，从而导致信道的利用率急剧降低，信道的通信能力也会大大降低;（2）P取值较低时或为0时，表面上信道的利用率S不会急剧下降，实际上我们由P取值很小可知，数据包立即发出的概率非常小（例如P=0。01），数据包很大

11、可能会延时重发。综合上述两种情况可知，采用普通的Ppersistent CSMA算法，不管P的取值大小或为0，当网络负荷较重时，都会造成大量数据包延时重发，这对实时性要求高的网络尤其是工业控制网是不能忍受的。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协议为各现场总线厂商大开了方便之门。但是,由于以太网是以办公自动化为目标设计的,并不完全符合工业环境和标准的要求,将传统的以太网用于工业领域还存在着明显的缺陷。要使以太网符合工艺上的要求，还必须克服以下缺陷。 确定性问题由于以太网的MAC层协议是CSMA/CD，该协议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。

12、对于一个工业网络,如果存在着大量的冲突，就必须得多次重发数据，使得网间通信的不确定性大大增加。而对于后来发展的基于交换机的全双工以太网来说,虽然可以丢弃CSMA/CD的机制而不产生报文冲突，但是仍旧存在不确定的问题。考虑如下情况,当一个网段中有很多设备（例如5000个）正好在同一时刻都发出了报文,并且目的地址是同一个，那么对于与之相连的交换机来说,只能是将这些报文缓存成队列，然后一个一个将其转发出去，那么排在队列头和尾的报文的达到时间就至少相差5000个报文的发送时间，这对于工业控制网络来说是一个非常大的不确定性。在工业控制网络中这种从一处到另一处的不确定性,必然会带来系统控制性能的降低.要想

13、将以太网真正应用到工业控制领域，报文传输的不确定性必须得到解决。因此，急需找到一种保证报文传输通畅、确定的有效方法。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的反应时间的可测性.也就是说，在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映.同时，工业上对数据的传递的实时性要求十分严格，数据的更新通常要求在数十毫秒甚至数百微秒内完成.由于以太网存在的CSMA/CD机制,它的基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络,如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送；如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，它们发送的报文将发生冲突,因此每个节点在发送时，还必

14、须继续监听网络.当检测到两个或更多个报文之间出现碰撞时，节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送。该随机时间将由标准二进制指数补偿算法确定。重发前的时间在0（2i-1）之间的时间片中随机选择（此处i代表被节点检测到的第i次碰撞事件），一个时间片为重发循环所需的最小时间。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处理器回报失败信息.以太网上存在的冲突问题，影响了以太网的数据吞吐量和传输延时,并导致以太网实际性能的下降。在一系列冲突后,报文可能会丢失,因此节点与节点之间的通信将无法得到保障。这种影响对有实时要求的控制系

15、统尤为严重。很明显以太网的解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一但出现数据的延时，那怕是仅仅几秒种的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故.特别的，在强实时控制系统中（如中、高端数控系统、机器人等），数据交互周期短、速度快、网络负荷高、同步精度要求高,在这样的环境下CSMA/CD机制会导致网络通信持续冲突，实时数据难以发送成功.正是由于上述原因，以太网以前没有能够在实时性要求较高的现场设备通信领域得到应用。 工业以太网在解决通信不确定性方面存在的问题通信不确定性是以太网进入工业控制领域的最大障碍。控制网络最大特点在于控制系统对其的实时性要求。实时控制往往要求对某些变量的实

16、时互锁，对测量控制数据的正确定时刷新.目前工业以太网技术对此采取以下措施:（1） 提高通信速率；（2） 减小系统规模，控制网络负荷；（3） 采用以太网的全双工交换技术；（4） 采用基于IEEE 802.3p的优先级技术;（5） 采用基于IEEE 803.3q的VLAN技术.采用上述措施可以使其不确定性问题得到相当程度的缓解，但不能从根本上解决以太网通信不确定性的问题。对于第（1）和第（2）种措施，无论是提高以太网通信速率，还是减小系统规模,降低网络负荷，都是减小以太网报文碰撞的机率。也就是说,控制系统中，任何一个设备发送数据时,仍然有可能发生报文碰撞，并导致实时测量、控制数据不能及时发送出去。

17、而采用第（3）种措施时，只是在以太网节点和与其相连接的交换机端口之间，发送和接收数据采用了不同通信通道，避免了碰撞。但不能避免多个设备同时向某一设备发送数据时的报文阻塞问题。对于第（4）种措施，采用基于IEEE 802。3p的优先级技术可在一定程度上解决了不同优先级的报文之间传送的时序问题.但由于IEEE 802.3p只规定了7个优先级水平，对于规模较大的系统来说，现场的测量、控制数据传送是遵循“最新即最好”（Latest is best）的原则，现场所有的测量、控制数据发送的优先级都相同，仍然会出现报文碰撞和阻塞的问题。为此,一些实时以太网系统采用主/从式轮询通信机制来解决以太网通信不确定性

18、问题。即一个系统中有一个设备充当主机，其他设备充当从机。主机可以在任何时候发送数据请求命令，并接收响应.而从机即不能主动发送数据，只能接收主机发出的请求。一旦接收到主机请求，即将本地要发送的数据作为响应，发送到主机.在这种主从式通信方式中，虽然每个设备仍然采用CSMA/CD媒体访问控制机制,但由于在任一时刻，只有一个设备（无论是主机或从机）向网络上发送数据，因此从根本上避免了以太网报文冲突,使以太网通信变得“确定”.在这种主从式轮询通信机制中，都是由主机通过轮询扫描的方式，从现场设备中采集数据，并将控制信息发送出去。当系统规模较大时，系统轮询的周期就会很长,而不能适应系统的控制性能要求。另一方

19、面，在这种主从式轮询通信机制中,一旦主机发生故障，将导致整个系统的瘫痪.对于第（5）种措施，VLAN是一种将局域网（LAN）设备从逻辑上划分（注意,不是从物理上划分）成多个网段（或者说是更小的局域网LAN）,从而实现虚拟工作组（单元）的数据交换技术.这一技术主要应用于交换机和路由器中，目前主流应用还是在交换机之中，但并不是所有交换机都具有此功能。VLAN的好处主要有三个： 端口的分隔。即便在同一个交换机上,处于不同VLAN的端口也是不能通信的.这样一个物理的交换机可以当作多个逻辑的交换机使用. 网络的安全。不同VLAN不能直接通信,杜绝了广播信息的不安全性。 灵活的管理。更改用户所属的网络不必

20、换端口和连线,只更改软件配置就可以了。但是,由于VLAN技术主要基于交换机技术实现，与第（3）中措施存在同样的问题，即不能避免多个设备同时向某一设备发送数据时的报文阻塞问题。3 EPA-RT技术简介基础3.1 工业网络的通信特点工业控制网络是一种典型的实时应用系统，其中的任务（如功能块的执行）通常按照一定的时间间隔触发，并且对任务的执行时间具有截止期要求，这种任务称为周期性任务.实时应用系统中还有一种任务，这种任务只有在特定的事件触发下才出现，例如设备配置、故障诊断、程序的上载/下载、运行记录、报警处理等，这类任务称为非周期性任务,非周期性任务是随机触发的。这两种任务反映在工业控制网络的通信上

21、，就是两类通信信息：周期性通信信息和非周期性通信信息。周期性信息是实时信息,非周期信息是非实时信息,周期性通信信息和非周期性通信信息具有不同的时间特性。而且,周期信息通常具有较高的优先级。一旦系统组态完成，周期性通信信息的发送就具有时间确定性。而非周期性通信信息往往是突发信息,在时间上是不确定的。3。 基于角色平等的确定性通信调度模型针对工业控制这种数据传输类型的特点,本研究中，将通信周期分为周期数据发送和非周期数据发送两个阶段;对周期性通信信息数据设计了分时调度方法，各设备基于IEEE 1588实现精确时间同步，在周期数据发送阶段，根据组态配置自动计算，只有在其发送数据的起始时间到的时候,才

22、发送周期数据，使其满足对时间有严格要求的控制数据的传输需要；对非周期通信信息数据设计了基于优先级的调度方法,设备自动计算本设备非周期数据在本网段内的优先级，依优先级大小发送非周期数据，避免了以太网通信报文碰撞，确保优先级高的报文，例如报警信息得到优先发送，而又不至于影响有严格时间要求的周期数据通信.实现分时调度的前提是网络上每台设备的时间一致性。首先在组态软件根据各个设备的设备描述文件和系统的控制的构架下，对每个网路设备分配一定的网络时间。然后将组态信息下载到网络设备。图 2确定性通信调度示意图在一个现场微网段内,所有EPA设备的通信均按周期进行，完成一个通信周期所需的时间T称为一个通信宏周期

23、（Communication Macro Cycle）。一个通信宏周期T分为两个阶段，其中第一个阶段为周期报文传输阶段Tp，第二个阶段为非周期报文传输阶段Tn（如图 2所示）。在周期报文传输阶段Tp,每个EPA设备向网络上发送的报文是包含周期数据的报文。周期数据是指与过程有关的数据,如需要按控制回路的控制周期传输的测量值、控制值，或功能块输入、输出之间需要按周期更新的数据.周期报文的发送优先级应为最高.在非周期报文传输阶段Tn,每个设备向网络上发送的报文是包含非周期数据的报文。非周期数据是指用于以非周期方式在两个通信伙伴间传输的数据，如程序的上下载数据、变量读写数据、事件通知、趋势报告等数据，

24、以及诸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICMP、IGMP等应用数据。非周期报文按其优先级高低、IP地址大小及时间有效方式发送。所有EPA微网段内的网络设备先进行时间同步，在时间同步的基础上根据时间组态信息进行分时的网络通信调度.3.3 EPA通信模型的技术特点为了实现确定性通信，在每个设备通信栈软件的数据链路层之上，增加基于角色平等的分时调度控制方法。将通信周期分为周期数据发送和非周期数据发送两个阶段。各设备基于IEEE 1588实现精确时间同步，在周期数据发送阶段,根据组态配置自动计算,只有在其发送数据的起始时间到的时候，才发送周期数据；在非周期数据发送阶段，自动计算本设备非

25、周期数据在本网段内的优先级与IP地址,依优先级和IP地址大小发送非周期数据,避免了以太网通信报文碰撞。本方法的特点是，各设备的通信角色地位平等,无主从之分，任何一个设备的故障不会引起整个系统中其他设备的通信，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的故障引起的整个系统通信的故障。本方法的另一个重要特点是，适用于线性结构、共享式集线器连接和交换式集线器（交换机）连接的以太网。分布式高可用网络技术DRP 引言近年来，工业以太网在工业通信中应用日益广泛.工业以太网成功应用的一个主要原因是其标准化程度高，不同设备供应商的产品可以方便的实现互操作。根据ARC咨询集团在2007年发布的数据显示

26、:包括以太网交换机、媒体转换器、服务器在内的以太网基础设施将在未来的几年内保持高速增长.用户在应用以太网廉价、方便、集成度高的优势的同时,对以太网提出了新的要求。50的用户希望的工业以太网的可用性达到99.99%。假设故障恢复时间为100分钟,那么允许故障的概率为每10年发生一次故障，此时系统的可用性达到99.9。本文从分析工业以太网可能 出现的各种故障和工业应用提出的高可用性要求入手，重点介绍现有IEC高可用性工业以太网国际标准IEC62439中包含的工业以太网高可用性技术和方法，协议。 工业应用高可用性需求相对于普通以太网的可用性要求,应用于工厂自动化和精密运动控制的驱动器间通信的工业以太

27、网需要满足最苛刻的性能要求。由于高精度的加工生产需要测量和控制装置安全可靠，工业以太网网络要求具有最严格的可用性要求。一个工业现场可以接收的自动化系统只在很短的时间失效称为一个故障宽限期。为了保证工业现场的连续运行,工业以太网故障恢复时间要小于故障宽限期.表 1为国际电工委员会IEC定义的典型应用的宽限期时间。表 1不同应用的宽限时间1 应用典型宽限时间企业资源管理系统20秒离散控制，自动化管理系统2秒连续控制，电力系统自动化200毫秒运动控制，关键同步自动化设备20毫秒 故障类型根据不用工业应用提出的高可用性要求，首先从工业以太网中可能出现的故障入手。工业以太网中出现的故障，有三分之一与IT

28、信息领域出现的故障相类似。根据ISO/OSI七层模型逐一进行分析，物理层故障主要表现为通信线缆故障或者设备的网络接口故障，这类故障主要通过上层协议实现故障检测，并进行故障恢复。数据链路层故障的主要原因是管理型交换设备的误组态，导致设备转发表（FDB）故障.此外，还可能出现交换设备中管理单元的故障，其可能的原因是管理单元设计存在不可避免的漏洞.此外，还有一种不可避免的故障时由于现场雷击等恶劣环境导致的数据帧在传输过程中的损坏，当损坏的数据包在到达接收端时,接收纠错校验将发现这种数据帧错误并丢弃该数据帧。各类故障的概率如表 2所示.表 2 不同层次故障概率2 ISO/OSI层次故障概率物理层20数据链路层10%网络层25%传输层15%会话层5表示层应用层针对现有EPA、ProfiNET、FF HSE等工业以太网中网络层、传输层、会话层、表示层都被简