林 琳劉 寧

（1.焦作市職業(yè)技術(shù)學(xué)校建經(jīng)教學(xué)部，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作454000）

0 引言

以太網(wǎng)因?yàn)榫哂袃r(jià)格低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向[1]。但是，由于以太網(wǎng)采用CSMA/CD，并且采用1堅(jiān)持BEB算法處理沖突，使以太網(wǎng)的通信時(shí)延具有不確定性 （即不具有實(shí)時(shí)性），限制了以太網(wǎng)在現(xiàn)場(chǎng)總線中的應(yīng)用，因此，以太網(wǎng)技術(shù)必須經(jīng)過(guò)改進(jìn)才能勝任對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)的要求。

EPA(Ethernet for Plant Automation)是在國(guó)家“863”計(jì)劃支持下，由中國(guó)自主提出的基于工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通信控制系統(tǒng)解決方案，是我國(guó)第一個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并有望被列入現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158（第四版）。[1-3]

為了達(dá)到控制與監(jiān)控等任務(wù)的要求，EPA系統(tǒng)中的信息在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時(shí)，應(yīng)有可預(yù)測(cè)的，確定的時(shí)延，也就是信息傳輸必須具有實(shí)時(shí)性[4-5]。EPA通過(guò)確定性通信調(diào)度策略來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的，為了保證確定性通信調(diào)度策略的順利進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)中除了要發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文之外，還要發(fā)送非周期數(shù)據(jù)聲明和非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明等調(diào)度報(bào)文。報(bào)文的組成結(jié)構(gòu)決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ帕浚瑢?duì)網(wǎng)絡(luò)中的通信負(fù)荷具有較大影響。因此，分析EPA系統(tǒng)的報(bào)文組成結(jié)構(gòu)是EPA系統(tǒng)通信實(shí)時(shí)性研究必須首先解決的問(wèn)題，本文以下內(nèi)容將對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 EPA數(shù)據(jù)傳輸報(bào)文結(jié)構(gòu)分析

以太網(wǎng)有IEC8802-3和以太網(wǎng)封裝兩種幀格式，在此只分析IEC8802-3格式這一種，如圖1所示。EPA應(yīng)用訪問(wèn)實(shí)體與EPA系統(tǒng)管理實(shí)體的服務(wù)報(bào)文均采用UDP/IP協(xié)議傳送。前同步碼、目的地址、源地址、 長(zhǎng)度、DSAP、SSAP、Cntl、Orgcode 字段是由于采用 IEC8802-3協(xié)議而附加的字段。在EPA報(bào)文PDU格式中，TYPE字段是協(xié)議類型，長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié)，值為0x88BC；IP Header是IP首部，長(zhǎng)度為20個(gè)字節(jié)；UDP Header是UDP首部，長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)；EPA AppDATA是指EPA應(yīng)用層數(shù)據(jù)；CRC是循環(huán)冗余校驗(yàn)和 （Cyclic Redundancy Check），長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)；DATA_UNIT是數(shù)據(jù)單元，最小長(zhǎng)度為46個(gè)字節(jié)。

通信開(kāi)銷指的是為了成功發(fā)送一個(gè)EPA數(shù)據(jù)報(bào)文而在通信過(guò)程中所附加的如地址字段、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼等信息所占的字節(jié)數(shù)，通信開(kāi)銷的大小由系統(tǒng)所采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和各層的協(xié)議決定。從圖1中可以看出，當(dāng)采用IEC8802-3和UDP/IP協(xié)議時(shí)，EPA報(bào)文的傳輸開(kāi)銷為：

式中L1～L12分別表示圖1中幀的前同步碼、目的地址、源地址、長(zhǎng)度、DSAP、SSAP、Cntl、Orgcode、類型、IP 首部、UDP 首部和 CRC 字段的長(zhǎng)度。

圖1 EPA報(bào)文格式

EPA報(bào)文的實(shí)際幀長(zhǎng)度L為EPA AppDATA（EPA應(yīng)用層數(shù)據(jù)）長(zhǎng)度LT和通信開(kāi)銷Lc之和，如公式（2）所示：

L＝LT＋Lc＝LT＋62（byte） （2）

當(dāng)一個(gè)報(bào)文的應(yīng)用層數(shù)據(jù)長(zhǎng)度確定時(shí)，代入公式（2）即可得出報(bào)文的幀長(zhǎng)度。

2 調(diào)度報(bào)文結(jié)構(gòu)分析

EPA系統(tǒng)的調(diào)度報(bào)文指的是為了保證確定性通信調(diào)度策略順利進(jìn)行發(fā)送的為調(diào)度服務(wù)的報(bào)文，包括非周期數(shù)據(jù)聲明報(bào)文和非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明報(bào)文兩種。以下分析這兩種報(bào)文的組成結(jié)構(gòu)。非周期數(shù)據(jù)發(fā)送聲明報(bào)文格式如圖2所示：

圖2 EPA非周期數(shù)據(jù)聲明報(bào)文格式

圖2中，NPMA_TAG為非周期數(shù)據(jù)發(fā)送聲明報(bào)文標(biāo)識(shí)，長(zhǎng)度為1字節(jié)，值為0x20。PRI為優(yōu)先級(jí)（Priority），長(zhǎng)度為1字節(jié)，表示下一個(gè)要發(fā)送的非周期報(bào)文優(yōu)先級(jí)，0xFF表示隊(duì)列中沒(méi)有非周期報(bào)文發(fā)送。PAD表示填充字符，長(zhǎng)度為44字節(jié)，取值固定為0x20。其他字段與EPA數(shù)據(jù)傳輸報(bào)文一致。如圖2所示，非周期數(shù)據(jù)聲明報(bào)文的幀長(zhǎng)度Lf等于EPA報(bào)文傳輸開(kāi)銷Lc與NPMA_TAG、PRI和PAD字段長(zhǎng)度之和，如公式（3）所示：

Lf＝Lc＋LN＋LP＋LA＝62＋1＋1＋44＝108（byte） （3）

式中的LN、LP、LA分別表示字段NPMA_TAG、PRI和PAD的長(zhǎng)度。

非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明報(bào)文格式如圖3所示：

圖3 EPA非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明報(bào)文格式

其中，ENPMTA_TAG字段為非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明報(bào)文標(biāo)識(shí)，長(zhǎng)度為1字節(jié)，值為0x21。PRI字段為優(yōu)先級(jí)（Priority），長(zhǎng)度為1字節(jié)，表示下一個(gè)要發(fā)送的非周期報(bào)文優(yōu)先級(jí)，0xFF表示隊(duì)列中沒(méi)有非周期報(bào)文發(fā)送。其他字段與非周期數(shù)據(jù)發(fā)送聲明報(bào)文一致。如圖3所示，非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明報(bào)文的幀長(zhǎng)度Le等于EPA報(bào)文傳輸開(kāi)銷Lc與ENPMA_TAG、PRI和PAD字段長(zhǎng)度之和，如公式（4）所示：

Le＝Lc＋LE＋LR＋LD＝62＋1＋1＋44＝108（byte） （4）

式中的 LE、LR、LD分別表示字段 ENPMA_TAG、PRI和 PAD 的長(zhǎng)度。

如公式（3）和公式（4）所示，EPA非周期數(shù)據(jù)聲明報(bào)文和非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明報(bào)文的應(yīng)用層數(shù)據(jù)各個(gè)字段都已經(jīng)固定，所以其幀長(zhǎng)度為固定的。

值得一提的是，根據(jù)IEC8802-3的規(guī)定，在以太網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，如果是包括前同步碼的情況下幀長(zhǎng)小于72bytes的最小幀長(zhǎng)，要將數(shù)據(jù)幀進(jìn)行填充，使之達(dá)到72bytes的長(zhǎng)度。但在EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)中規(guī)定，EPA應(yīng)

σyy=P(t),σyx=0,σyz=0,Hyy=0,Hyx=0,Hyz=0

當(dāng) y=0,0≤x≤a(t)時(shí):

σyy=0,σyx=0,σyz=0,Hyy=0,Hyx=0,Hyz=0

當(dāng) y=0,a(t)≤x≤L 時(shí):

uy=0,σyx=0,σyz=0,wy=0,Hyx=0,Hyz=0

初值條件滿足【參考文獻(xiàn)】

［1］Lubensky T C,Ramaswany S and Toner J.Dislocation motion in quasicrystal and implications for macroscopic properties[J].Phys.Rev.B 1986,33:7715-7719.

［2］Ding D H,Yang W G,Hu C Z et al.Generalized elasticity theory of quasicrystals[J].Phys.Rev.B,1993,48(10):7003-7010.