實時以太網(wǎng)標準化新進展
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20世紀80年代中期產生的現(xiàn)場總 線，將智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)以全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信控制網(wǎng)絡連接，使工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡化和智能化發(fā)展成為可能，使工業(yè)控制系統(tǒng)的體系結構和功能結構產生重大變革。
現(xiàn)場總線國際標準IEC61158經(jīng)過16年的爭論和斗爭后，放棄了其制定單一現(xiàn)場總線標準的初衷，最終發(fā)布了包括8種(第三版修訂后增加了兩種類型，而成為10種類型)類型總線的國際標準。這說明各大總線各具特點、不可互相替代的局面得到世界工控界的認可。
但另一方面，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，廣大工控專家、制造商和用戶也逐漸認識到，現(xiàn)場總線之所以沒有能實現(xiàn)統(tǒng)一，除了它們的技術特色和背后支持的公司間的利益沖突外，還因為現(xiàn)場總線發(fā)展過程中，過多地強調了自動化網(wǎng)絡的特殊性，忽視了信息技術的發(fā)展成果，致使現(xiàn)場總線技術、產品和應用發(fā)展緩慢。
與此同時，壟斷了辦公自動化領域網(wǎng)絡通信的以太網(wǎng)技術，由于具有成本低、穩(wěn)定性和可靠性高、應用廣泛、軟硬件資源豐富等諸多優(yōu)點，無論是大型跨國企業(yè)還是中小型自動化企業(yè)，都在過程控制領域管理層和控制層等中上層網(wǎng)絡通信中采用了以太網(wǎng)。事實證明，這些應用非常成功，更重要的是，通過一些實時通信增強措施，以太網(wǎng)可以滿足工業(yè)數(shù)據(jù)通信的實時性要求，并可以直接向下延伸應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間的通信。
一 為什么要制定實時以太網(wǎng)標準
眾所周知，工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡不同，工業(yè)數(shù)據(jù)通信不僅要解決信號的互通和設備的互連，更需要解決信息的互通問題，即信息的互相識別、互相理解和互可操作。
所謂信號的互通，即兩個需要互相通信的設備所采用的通信介質、信號類型、信號大小、信號的輸入/輸出匹配等幾方面參數(shù)以及數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議符合同一標準，不同設備就能連接在同一網(wǎng)絡上實現(xiàn)互連。如果僅僅實現(xiàn)設備互連，但沒有統(tǒng)一的高層協(xié)議(如應用層協(xié)議)，不同設備之間還不能相互理解、識別彼此所傳送的信息含義，就不能實現(xiàn)信息互通，也就不可能實現(xiàn)開放系統(tǒng)之間的互可操作。互可操作性是指連接到同一網(wǎng)絡上不同廠家的設備之間通過統(tǒng)一應用層協(xié)議進行通信與互用，性能類似的設備可以實現(xiàn)互換，它是工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡區(qū)別于一般IT網(wǎng)絡的重要特點。
對應于ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型，ISO/IEC8802-3只規(guī)定了以太網(wǎng)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范，而TCP/IP協(xié)議作為基于以太網(wǎng)“事實上”的標準，也只規(guī)定了網(wǎng)絡層與傳輸層規(guī)范，其中網(wǎng)絡層規(guī)定了基于IP的網(wǎng)絡連接、維持和解除，即規(guī)定了基于IP的路由選擇；而TCP協(xié)議(包括UDP)則規(guī)定了開放系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送控制、收放確認、差錯控制等。顯然，僅僅采用以太網(wǎng)+TCP/IP協(xié)議是無法解決開放系統(tǒng)之間的信息互通問題。要解決基于以太網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場設備之間的互可操作性問題，必須在以太網(wǎng)、TCP(UDP)/IP協(xié)議的基礎上，制訂統(tǒng)一并適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的應用層服務和協(xié)議。至于ISO/OSI通信模型中的會話層、表示層等中間層次，為降低設備的通信處理負荷，可以省略，而在應用層直接定義與TCP/IP協(xié)議的接口。
二 實時以太網(wǎng)國際標準化
1. 范圍
2003年5月，IEC發(fā)起一個針對實時以太網(wǎng)應用行規(guī)的新工作項目65C/306/NP“測量和控制數(shù)字數(shù)據(jù)通信——實時應用中基于ISO/IEC8802-3的通信網(wǎng)絡行規(guī)”(以下簡稱實時以太網(wǎng)應用行規(guī)標準)，其內容是：
規(guī)定實時以太網(wǎng)(RTE)的分類框架，即對實時以太網(wǎng)需求進行分類；
基于ISO/IEC 8802-3、IEC 61784-1(基于IEC61158的應用行規(guī))及其最新版本，定義相關的網(wǎng)絡部件應用行規(guī)；
與引用這些現(xiàn)存標準相關的其他方面。
該項目的成立得到了幾乎所有投票國家的同意，因為它反映了當前工業(yè)控制網(wǎng)絡以及實時以太網(wǎng)的發(fā)展需求和趨勢。
但在專家組對該提案進行討論時，多數(shù)專家認為如果將實時以太網(wǎng)應用行規(guī)的定義范圍僅僅局限在IEC 61784-1(或IEC61158)規(guī)定的10種類型現(xiàn)場總線應用行規(guī)，不能反映市場上對實時以太網(wǎng)的真正需求，也違背了開放的實時以太網(wǎng)應用事實，另外，專家們認為，僅有ISO/IEC8802-3協(xié)議規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而沒有定義應用層服務和協(xié)議規(guī)范，標準所規(guī)定的實時應用行規(guī)既不能滿足實時要求，更不能保證不同廠商設備之間的互可操作。
會議經(jīng)過反復、認真討論，最終同意考慮IEC 61784-1所規(guī)定的應用行規(guī)之外的實時以太網(wǎng)提案。之后，由相關專家將幾種實時以太網(wǎng)提案分別做了詳細的技術報告，專家組也對這些提案做了認真的審查和討論，認為這些實時以太網(wǎng)提案各自具有一定的技術特色，并在一些領域得到了成功應用，具有一定市場，應該被考慮列入實時以太網(wǎng)應用行規(guī)國際標準。
會后由專家組召集人將專家意見與IEC/SC65C主席、秘書長、技術協(xié)調人等進行交換后認為，這些實時以太網(wǎng)提案均具有一定代表性，反映了當前實時以太網(wǎng)的應用成果，考慮到2002年曾作出“2007年前不再在IEC61158中增加新的類型”的決定，IEC認為這些新的實時以太網(wǎng)技術可以作為PAS(Publicly Available Specification)規(guī)范予以發(fā)布，并在將要制定的實時以太網(wǎng)應用行規(guī)國際標準IEC 61784-2中正式加以引用，其中，中國的EPA實時以太網(wǎng)技術被列為其中的第14子集(Common Profile Family 14, CPF14)。
2. 實時以太網(wǎng)應用行規(guī)
IEC61784-2“測量與控制數(shù)字數(shù)據(jù)通信—實時應用中的基于ISO/IEC8802-3的通信網(wǎng)絡附加行規(guī)”(以下簡稱實時以太網(wǎng)應用行規(guī)國際標準)的制定原則是，為滿足工業(yè)自動化市場需求，通過定義以下內容，為用戶應用時的實時以太網(wǎng)類型選型提供參考：(1) 實時以太網(wǎng)需求的分類框架；(2) 基于ISO/IEC 8802-3、IEC61784-1(或IEC61158)、新的實時以太網(wǎng)PAS應用行規(guī)和相關網(wǎng)絡組件應用行規(guī)；(3) 與現(xiàn)有標準相關的引用參考。
同時規(guī)定，實時以太網(wǎng)RTE(Real-time Ethernet)不應改變ISO/IEC8802-3通信網(wǎng)絡、相關網(wǎng)絡組件或IEC1588的總體行為，但可在一定程度上進行修改，使之滿足實時行為：(1) 實時性，即確定性通信；(2) 現(xiàn)場設備之間的時間同步行為；(3) 充分、頻繁的短長度數(shù)據(jù)交換。
以支持在控制器之間甚至在現(xiàn)場設備與控制器之間的工業(yè)通信采用以太網(wǎng)技術，支持現(xiàn)場區(qū)域的直接互聯(lián)網(wǎng)訪問能力，并支持基于ISO/IEC的應用與RTE在同一網(wǎng)絡上并行運行。
實時以太網(wǎng)分類框架
所謂實時以太網(wǎng)分類，就是從最終用戶和制造商對實時以太網(wǎng)需求出發(fā)，定義一些相關的性能指標，以反映實時以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡的能力。
這些性能指標包括：交付時間(Delivery time)，端節(jié)點數(shù)(Number of end nodes)，基本網(wǎng)絡拓樸(Basic network topology)，端節(jié)點間交換機的數(shù)量(Number of switches between end nodes)，RTE吞吐量(Throughput RTE)，非RTE吞吐量(Throughput non-RTE)，時間同步精確度(Time synchronization accuracy)，冗余恢復時間(Redundancy recovery time)等等。
一種實時以太網(wǎng)RTE類型的行為能力可通過以上幾種(不一定是全部)相關聯(lián)的性能指標組合來反映。
一致性測試應用行規(guī)
一致性測試應用行規(guī)是為證實一個CP(Common Profile)行為性能指標是否滿足所規(guī)定的行為，針對實時以太網(wǎng)類型與RTE設備、網(wǎng)絡組件的性能測試而規(guī)定的應用行規(guī)。
一致性測試應用行規(guī)僅規(guī)定實時以太網(wǎng)類型性能測試應遵循的一般方法與要求，但不規(guī)定具體的測試方法。
一致性測試應用行規(guī)規(guī)定的內容包括測試條件、測試方案，測試報告等幾方面內容。
實時以太網(wǎng)應用行規(guī)
IEC61784-2還將針對IEC61784-1或IEC61158、新的實時以太網(wǎng)PAS編寫應用行規(guī)。其中，允許每一種CPF(Common Profile Family)細分為若干不同的CP，并列寫出每一種CP的相關性能指標。
這樣，用戶就可能根據(jù)其應用需求，根據(jù)IEC61784-2選擇其相應的實時以太網(wǎng)類型，其需求越高，可供選擇的RTE類型就越少，如圖所示。
三 EPA實時以太網(wǎng)標準化
在國家科技部“863”計劃的支持下，浙江大學、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、重慶郵電學院、大連理工大學、清華大學等單位聯(lián)合成立了標準起草工作小組，經(jīng)過兩年多的技術攻關，起草了我國第一個擁有自主知識產權的現(xiàn)場總線國家標準《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA通信標準》(以下簡稱《EPA標準》)。
《EPA標準》的起草思路是，通過增加一些必要的改進措施，改善以太網(wǎng)的通信實時性，在以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議之上定義工業(yè)控制應用層服務和協(xié)議規(guī)范，將在IT領域應用較為廣泛的以太網(wǎng)(包括無線局域網(wǎng)、藍牙)以及TCP/IP協(xié)議應用于工業(yè)控制網(wǎng)絡，實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中由信息管理層、過程監(jiān)控層直至現(xiàn)場設備層的無縫信息集成。
《EPA標準》的主要內容是解決基于以太網(wǎng)的確定性通信調度規(guī)范、定義基于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的應用層服務和協(xié)議規(guī)范、基于XML的電子設備描述等內容，為用戶應用進程之間無障礙的數(shù)據(jù)和信息交換提供統(tǒng)一的平臺。
《EPA標準》的特點如下：
兼容性
EPA控制系統(tǒng)兼容IEEE802.3、IEEE802.1P&Q、IEEE802.1D、IEEE802.11、IEEE802.15以及UDP(TCP)/IP等協(xié)議。
微網(wǎng)段化系統(tǒng)結構
EPA控制系統(tǒng)中，控制網(wǎng)絡劃分為若干個控制區(qū)域，每個控制區(qū)域即為一個微網(wǎng)段。每個微網(wǎng)段通過EPA網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段進行分隔，該微網(wǎng)段內EPA設備間的通信被限制在本控制區(qū)域內進行，而不會占用其他網(wǎng)段的帶寬資源。
處于不同微網(wǎng)段內EPA設備間的通信，需由相應EPA網(wǎng)橋進行轉發(fā)控制。
確定性通信
本標準在數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡層之間定義了一個確定性通信調度管理接口，用于處理EPA設備的報文發(fā)送調度。通過該通信調度管理接口，EPA設備按組態(tài)后的順序，采用分時發(fā)送方式向網(wǎng)絡上發(fā)送報文，以避免報文沖突，并確保通信的確定性。
支持EPA報文與通用網(wǎng)絡報文并行傳輸
在不影響實時性的前提下，支持EPA報文與通用網(wǎng)絡報文并行傳輸。
分層的安全策略
對基于EPA的分布式現(xiàn)場網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，從企業(yè)信息管理層、過程監(jiān)控層和現(xiàn)場設備層3個層次，采用不同的安全技術，如防火墻技術、網(wǎng)絡隔離、硬件加鎖等安全措施。
網(wǎng)絡供電
基于IEEE802.3af標準，本標準規(guī)定了基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡供電方法。
基于XML的EPA設備描述
本標準采用XML結構化文本語言，規(guī)定了EPA設備資源的描述方法，以實現(xiàn)不同EPA設備的互可操作。
標準起草工作組一方面進行聯(lián)合技術攻關，另一方面結合產品開發(fā)、工程應用實踐，同時參考了國內外工業(yè)以太網(wǎng)最新發(fā)展成果，起草完成了《EPA標準》草案；在經(jīng)過幾次專家技術評審后，形成了標準征求意見稿?！?004年5月，《EPA標準》征求意見稿已通過了全國工業(yè)測量與控制標準化技術委員會TC124/SC4(工業(yè)數(shù)據(jù)通信)的審查，委員會高度評價了標準起草的工作，一致同意在征求意見稿的基礎上，形成送審稿。
2004年8月18～20日，《EPA標準》送審稿通過了由全國工業(yè)測量與控制標準化技術委員會組織的專家技術審查。標準起草工作組根據(jù)本次技術審查意見，進行修改，將于近日向標委會正式提交送審稿。
預計，《EPA標準》作為國家標準將在年內正式報批、出版。
四 結束語
《EPA標準》作為我國自主制定、并被國際上認可和接收的第一個現(xiàn)場總線國家標準，是由國內從事工業(yè)自動化控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡通信的研究、開發(fā)、應用單位聯(lián)合開發(fā)和編制的，得到了國家科技部和國家標委會的極大重視和支持，也得到了包括北京華控、上海工業(yè)自動化儀表研究所等單位的大力支持。
從技術上講，《EPA標準》已形成了其獨特的特點，在產品開發(fā)和工程應用上也有了比較好的基礎，已開發(fā)出了基于EPA的變送器、執(zhí)行器、現(xiàn)場控制器、數(shù)據(jù)采集器、遠程分散控制站、無紙記錄儀等產品，基于EPA的分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)已在化工廠得到成功應用。
一個技術標準的生命力取決于它被接受的程度和推廣應用情況。
為此，《EPA標準》起草工作組已開始規(guī)劃一些技術交流和培訓工作，希望通過這些技術交流和培訓，一方面希望廣大控制系統(tǒng)、儀器儀表開發(fā)制造企業(yè)、研究院所共同支持、開發(fā)和應用EPA技術與產品；另一方面也希望廣大工控界專家一起來完善、發(fā)展EPA技術。
另一方面，與實時以太網(wǎng)應用行規(guī)國際標準IEC61784-2相配套，標準起草工作組已著手EPA標準的認證、測試工作，以便為EPA產品的開發(fā)、應用提供一致性的認證、測試平臺。
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