北京宇航系統(tǒng)工程研究所 盧 頔

北京交大微聯(lián)科技有限公司 武 歡

基于EPA的地面實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)研究

北京宇航系統(tǒng)工程研究所 盧 頔

北京交大微聯(lián)科技有限公司 武 歡

我國自行提出的EPA標(biāo)準(zhǔn)第一次得到了國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的認(rèn)可，該技術(shù)具有的強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高可靠性的特點(diǎn)，并且設(shè)計(jì)了一個(gè)確定性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，已步入國際先進(jìn)行列。然而，EPA產(chǎn)品目前還比較單一，需要進(jìn)一步研究和推廣。但是，隨著測控系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性要求的不斷提升，EPA技術(shù)必將擁有更加深遠(yuǎn)的研究價(jià)值和更為廣闊的應(yīng)用前景。

EPA；測控系統(tǒng)；實(shí)時(shí)

1 引言

近幾年,隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)行工業(yè)以太網(wǎng)的響應(yīng)時(shí)間己縮短至5到10ms,完全可以與當(dāng)前最主流的總線相媲美。然而,日益復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性提出了更高的要求,在這個(gè)背景下,實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(Real Time Ethernet)建立在IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上,是對標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的一種擴(kuò)展,并可實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的無縫連接。2003年,IEC/SCBSC成立了名為“WALL”的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)工作組,并且制定了一套涉及11種目前國際上最流行實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)——IEC 61784《基于ISO/IEC 8802.3的實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)行規(guī)》國際標(biāo)準(zhǔn),而作為我國工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域第一個(gè)被國際認(rèn)可且收錄的標(biāo)準(zhǔn),EPA(Ethernet for Plant Automation)標(biāo)準(zhǔn)就位列其中［1］。

2 EPA技術(shù)原理

EPA標(biāo)準(zhǔn)全稱為《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信標(biāo)準(zhǔn)》,是在國家“863”計(jì)劃支持下,在浙江大學(xué)、浙江中控技術(shù)股份有限公司共同主持下,聯(lián)合中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、北京華控技術(shù)有限責(zé)任公司等多家國內(nèi)單位,起草的第一個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)以太網(wǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)［2］,其切實(shí)解決了現(xiàn)行工業(yè)以太網(wǎng)的確定性、實(shí)時(shí)性、安全性、可互操作性等方面的關(guān)鍵問題。

從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看,EPA網(wǎng)絡(luò)由兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)組成,即：現(xiàn)場設(shè)備級(jí)L1網(wǎng)和過程監(jiān)控級(jí)L2網(wǎng)。

(1)L1網(wǎng)主要用于各現(xiàn)場設(shè)備之間及其與L2網(wǎng)之間的連接;

(2)L2網(wǎng)主要用于各類現(xiàn)場儀表、裝置以及人機(jī)接口之間的連接。

上述兩者均可進(jìn)一步劃分為一個(gè)或幾個(gè)微網(wǎng)段［3］。每個(gè)微網(wǎng)段均通過EPA網(wǎng)橋與其他微網(wǎng)段進(jìn)行分隔控制,并且,不同微網(wǎng)段內(nèi)的EPA設(shè)備間也均通過EPA網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交互。由此,同一微網(wǎng)段內(nèi)的EPA設(shè)備就被限制在該微網(wǎng)段內(nèi)部,其相互通信也不會(huì)搶占其它微網(wǎng)段的帶寬資源。

此外,EPA標(biāo)準(zhǔn)僅在IEEE 802.3協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層新增了一個(gè)通信調(diào)度管理實(shí)體,該實(shí)體支持兩種通信調(diào)度模式——基于自由競爭的非確定性通信調(diào)度模式和基于分時(shí)發(fā)送的確定性通信調(diào)度模式［4］,這樣就使得在提升網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的同時(shí),既延續(xù)了IEEE 802.3協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層為IP層提供的各項(xiàng)服務(wù),也保持了數(shù)據(jù)鏈路層與物理層的接口不變。

3 EPA技術(shù)特點(diǎn)

為保證EPA網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性和安全性,其具有如下技術(shù)特點(diǎn)［5］：

3.1 確定性通信

針對普通以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)碰撞、報(bào)文傳輸延時(shí)和通信響應(yīng)的不確定的問題,EPA采用確定性通信調(diào)度技術(shù),將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸階段分為：周期數(shù)據(jù)傳輸階段和非周期數(shù)據(jù)傳輸階段數(shù),變“隨機(jī)發(fā)送”為“確定發(fā)送”,實(shí)現(xiàn)了通信的確定性。

(1)在周期數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段,發(fā)明了基于角色平等的周期數(shù)據(jù)確定性傳輸調(diào)度方法——所有設(shè)備根據(jù)組態(tài)確定的時(shí)間片依次發(fā)送數(shù)據(jù);

(2)在非周期數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段,發(fā)明了基于優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度的非周期數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)——所有數(shù)據(jù)根據(jù)優(yōu)先級(jí)依次發(fā)送,完全避免碰撞。

最為獨(dú)特的是,在EPA控制系統(tǒng)中,各設(shè)備的通信角色地位平等,無主從之分,任何一個(gè)設(shè)備的故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)中其他設(shè)備的通信,避免了主從式、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個(gè)系統(tǒng)通信的故障。

3.2 強(qiáng)實(shí)時(shí)性通信

EPA采用實(shí)時(shí)通信方法,將以太網(wǎng)通信通道劃分為三個(gè)部分：同步實(shí)時(shí)通道、非同步實(shí)時(shí)通道以及非實(shí)時(shí)通道。

(1)同步實(shí)時(shí)通道用于傳輸有最高通信響應(yīng)性能要求的同步數(shù)據(jù)傳輸,其優(yōu)先級(jí)最高;

(2)非同步實(shí)時(shí)通道用于傳輸有較高通信響應(yīng)性能要求的非同步數(shù)據(jù)傳輸,其優(yōu)先級(jí)次高;

(3)非實(shí)時(shí)通道用于傳輸HTTP等對通信實(shí)時(shí)性無特殊要求的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)報(bào)文,其優(yōu)先級(jí)最低。

采用該種方式保證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得以優(yōu)先傳輸,減少了通信排隊(duì)處理延遲,提高了工業(yè)以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性。

3.3 高可靠性通信

高可靠性是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵,EPA通過以下兩項(xiàng)技術(shù),使得在任一網(wǎng)絡(luò)故障下,系統(tǒng)都能夠迅速探測到故障,并能在可接受的時(shí)間范圍內(nèi)恢復(fù)正常。

(1)DRP(Distributed Redundancy Protocol)協(xié)議是由EPA標(biāo)準(zhǔn)推出的一項(xiàng)針對環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的、主動(dòng)的、并行的故障探測技術(shù),其分散了故障風(fēng)險(xiǎn),縮短了環(huán)網(wǎng)重構(gòu)時(shí)間。

(2)針對關(guān)鍵終端設(shè)備,EPA采用了數(shù)據(jù)并行傳輸與無擾動(dòng)切換技術(shù),實(shí)現(xiàn)了工作設(shè)備與備份設(shè)備的自動(dòng)無擾動(dòng)切換。

4 EPA技術(shù)應(yīng)用

目前支持EPA網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品還不夠完善,然而,隨著工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,以及一系列示范應(yīng)用工程的引入,EPA技術(shù)在制造業(yè)、運(yùn)動(dòng)控制、樓宇自動(dòng)化等方面的應(yīng)用也必將越來越廣泛。

依據(jù)技術(shù)原理,基于EPA的地面實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)通過兩層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)：其一,外層網(wǎng)絡(luò)可以由各個(gè)被EPA網(wǎng)橋分割的多個(gè)分布式控制網(wǎng)段區(qū)域構(gòu)成,充分應(yīng)用更先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)和軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù),采用更為成熟的控制算法,全面提升系統(tǒng)總體性能;其二,內(nèi)層網(wǎng)絡(luò)可以由加掛有各類I/O站等現(xiàn)場設(shè)備的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,通過高可靠的DRP技術(shù)和高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),選用更高性能的微處理器,提高了局部網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實(shí)時(shí)性,從而使整個(gè)系統(tǒng)成為了一個(gè)功能完善、運(yùn)行可靠、通信實(shí)時(shí)的新型分布式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)測控系統(tǒng)。

5 結(jié)論

作為我國第一個(gè)被國際認(rèn)可和接收的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn),EPA的實(shí)時(shí)測控產(chǎn)品目前還比較單一。然而,隨著測控系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性要求的不斷提升,EPA技術(shù)必將擁有更加深遠(yuǎn)的研究價(jià)值和更為廣闊的應(yīng)用前景。

[1]周百韜,毛先萍．EPA技術(shù)在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2015, 4．

[2]林琳,劉寧．EPA工業(yè)以太網(wǎng)傳輸信息結(jié)構(gòu)分析[J]．科技視界,2015, 1．

[3]王延宗．EPA在智能儀表中的應(yīng)用研究[J]．科技資訊, 2014,26．

[4]劉寧．EPA工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性分析及調(diào)度方法的研究[D]．大連理工大學(xué),2010．

[5]劉寧,仲崇權(quán)．EPA網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延特性分析[J]．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2009,3．