工业以太网的技术特性及关键技术研究

工业以太网的技术特性及关键技术研究

顾 阳 口尚群立 口余善恩 口高强

网络技术的迅速发展引发了自动控制领域的深刻技术变革，以现场总线和工业以太网技术为代表的控制网络技术是现代自动控制技术与信息网络技术相结合的产物，是下一代自动化设备的标志性技术，是改造传统工业的有力工具，也是信息化带动工业化的重点方向。目前网络控制技术正从传统的控制网络技术经由现场总线向现代控制网络的工业以太网技术方向发展 。

1 工业以太网的技术特性
1．1 工业以太网与商用以太网的主要区别工业以太网作为一种特殊的网络，直接面向生产过程和控制，肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能量的运动和转换。因此，它通常应满足强实时性与确定性、高可靠性与安全性、工业现场恶劣环境的适应性、总线供电与本质安全等特殊要求。区别于商用以太网，工业以太网具有以下特性：

① 工业以太网传输的信息多为短帧信息，长度较短，且信息交换频繁；

② 工业以太网中周期与非周期信息同时存在，正常工作状态下，周期信息较多，而非周期信息较少；

③ 它的信息流向具有明显的方向性；

④ 其测量控制信息的传送有一定的顺序性；

⑤它的响应时间要求较严格，为毫秒甚至微秒级水平；

⑥应具有良好的环境适应性，即在高温、潮湿、振动、腐蚀、电磁干扰等工业环境中具有长时间、连续、可靠、完整地传送数据的能力，并能抗工业网的浪涌、跌落和尖
峰干扰；

⑦ 在可燃与易爆场合，工业以太网还应具备防爆性能。

1．2 工业以太网的主要技术特性

1)系统响应的实时性。

工业以太网是与工业现场测量控制设备相连接的一类特殊通信网络，控制网络中数据传输的及时性与系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。在工业自动化控制中需要及时地传输现场过程信息和操作指令，要能够支持和完成实时信息的通信。这不仅要求工业以太网传输速度要快，而且响应也要快，即响应实时性要好。

2)网络传输的确定性。

即要保证以太网设备间的传输不能发生冲突或数据的碰撞，让不同设备对网络资源的使用合理有序化。以前，以太网被认为不能用于工业控制领域，这主要是因为以太网的CDMA／CD媒体访问方式不能保证网络(传输时间)的确定性，而现在随着以太网速率不断提高，加上确定性调度算法的研究突破，使网络负荷进一步减轻、碰撞减少，系统的
确定性已得到了很大的提高。

3)总线供电技术。

电气电子工程师协会于2003~6月批准了以太网供电PoE标准- IEEE802．3af。PoE技术是指对现有的以太网CAT一5布线基础架构不用作任何改动的情况下，借助于一根常规以太网线缆在传输数据的同时供应电力，从而保证该线缆在为以太网终端设备传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电。

4)要求极高的可靠性。

工业控制网络必须连续运行，它的任何中断和故障都可能造成停产，甚至引起设备和人身事故，因此必须具有极高的可靠性，具体表现在以下三个方面：

① 可使用性要好，网络自身不发生故障。

② 容错能力强，网络系统局部单元出现故障，不影响整个系统的正常工作。

③ 可维护性高，故障发生后能及时发现和及时处理，通过维修使网络及时恢复。

2 EPA关键技术研究
工业以太网EPA(Ethernet for PIant Automation)标准是我国第一个拥有自主知识产权的现场总线标准，并于2007年10月正式进入现场总线国际标准IEC61158(第四版)，成为被IEC承认的国际现场总线标准。

2．1 EPA 通信协议模型
参考ISO／OSI开放系统互连模型(ISO 7498)，EPA标准采用了其中的第一、二、三、四和七层，并在第七层之上增加第八层(即用户层)，共构~26层结构的通信模型。EPA通信协议模型” 参考如图1所示。

1)应用进程AP是在网络上为具体应用执行信息处理的元素，它是驻留在EPA设备中的分布式应用的组成部分。在EPA系统中，将所有的应用进程分为两类，即EPA功能块应用进程和非实时应用进程，他们可以在一个EPA系统中并行运行。

2)EPA应用访问实体描述通信对象、服务以及与上下层接口模型。它为组成一个功能块应用进程的所有功能块实例问的通信提供通信服务，这些服务包括域上载／下载服务、变量访问服务、事件管理服务等。

3)EPA系统管理实体用于管理EPA设备的通信活动，将EPA网络上的多个设备集成为一个协同工作的通信系统。它支持设备声明、设备识别、设备定位、地址分配、时间同步、EPA链接对象管理、即插即用等功能。

4)EPA套接字映射实体提供EPA应用访问实体以及EPA系统管理实体与UDP／IP软件实体之间的映射接口，同时具有报文优先发送管理、报文封装、响应信息返回、链路状况监视等功能。

5)EPA通信调度管理实体用于对EPA设备向网络上发送报文的调度管理。它采用分时发送机制，按预先组态的调度方案，对EPA设备向网络上发送的周期报文与非周期报文发送时间进行控制，以避免碰撞。

6)EPA管理信息库SMIB存放了系统管理实体、EPA通信调度管理实体和应用访问实体操作所需的信息，在SMIB 中，这些信息被组织为对象。如设备描述对象描述了设备位号、通信宏周期等信息，链接对象则描述了EPA应用访问实体服务所需要的访问路径信息等。可以简单理解为EPA网络主要分两个部分，即数据报文的封装／拆分过程和设备间的通信过程。设备间通信调度是EPA研究的一个关键点，目的是实现数据的实时有序通信，这主要是基于时间同步技术和确定性调度技术。

2．2 时间同步技术
EPA通信系统建立在时间同步基础之上，系统时间同步性能的高低直接影响到系统实时通信的质量。因此必须引入专门的机制来解决EPA通信的时间同步问题。目前，EPA系统支持SNTP和IEEE1588[ 精确时钟同步协议。SNTP是由NTP改编而来，为NTP的简化模型，主要用来同步因特网中的计算机时钟。IEEE1588(PTP)标准于2002~ 9月获得批准，并于2002年11月正式出版，该标准定义了一个适于在测量和自动化系统中使用的时钟同步协议。它采用软硬件配合的方式，最高可实现纳秒量级的超高精度的时钟同步，
高于其它网络时间同步协议的精度 】。为尽可能提高EPA实时通信系统的时间精度，一般采用IEEE1588标准来实现EPA通信系统的时钟同步。

2．2．1 PTP系统原理

PTP系统是一个典型的客户、服务器模式，在系统的运行过程中，主时钟充当服务器角色，每隔一段时间(2，4，8，⋯ ⋯ ，60 s)将本地时间发布到网络上；从时钟则充当客户端的角色，对主时钟发送来的时间信息进行接收、计算，同时不定时地进行线路传输延时的计算，以便根据网络情况进行精确的时钟同步。PrI’P协议基于同步数据包被传播和接收时的最精确的匹配时间，每个从时钟通过与主时钟交换同步报文而与主时钟达到同步。这个同步过程分为两个阶段：偏移测量阶段和延迟测量阶段。偏移测量阶段修正从时钟与主时钟之间的时间偏差。延迟测量阶段计算主、从时钟之间的报文传输延迟，之后调整从时钟的本地时间，目的是为了进一步提高PTP系统时钟同步精度。

2．2．2 PTP同步时钟系统的实现
PTP时钟系统的实现涉及到协议定义的若干数据结构、协议状态机的实现、最优主时钟的实现、从时钟本地时间调整等诸多要素，下面给出该协议的核心实现部分。

Default data set：该数据集定义本地时钟的继承特性，当时钟为原主时钟(GrandmasterClock)时数据集中的相应字段会被访问。

数据集定义如下：
typedef struct
{
UInteger8
clock_ communication_ technology；
Octet clock_ uuid_ field[6】；
UIntegerl 6 clock port_ field；
UInteger8 clock_
stratum ；
Octet clockjdentifier【4】；
Integerl6 clock_ variante；
BOOL clock_ followup_ capable；
BOOL preferred；
B00L initializable；
B00L external_ timing；
BOOL is_
boundary_
clock；
Integer8 syncjnterval；
Octet subdomain_ name【16】；
UInteger16 number_
ports；
UInteger16 numb er_
foreign_ records；
}Default_data_set；

主要字段含义说明如下：
1)clock_uuid』ield／／该域代表本地时钟的网卡的MAC地址，网卡的MAC地址理论上讲全球唯一，通常使用6字节(48 bit)来表示，比如：00—01一F4—11一C1—7B。
2)clock stratum／／该域描述任何一个时钟的记时精度，使用一个字节的空间，可取的值为0，1，2，3，4，255，其余的值保留。该域主要作为最优主时钟算法的一个输入参数，用于确定本地时钟是否能够充当主时钟的角色。如果该域取255，则本地时钟永远无法成为最优主时钟。
3)cl0ckjdent er／／当本地时钟是原主时钟时，该域代表本地时钟的标识符。
4)clock_variance／／该域代表原主时钟的时钟偏差，其初始值反映时钟的继承特性。
5)clock_．followup_capable／／该域表示本地时钟在发送了同步报文之后，是否可以发送Follow_up报文。
6)preferred／／该域表示本地时钟是否作为备选的原主时钟。如果该域的值为TRUE，表示本地时钟是备用主时钟集的成员，否则不是。
7)external_timing／／该域表示本地时钟是否可向时钟所处的同步域外的时钟发送同步信号，如果为TRUE则可以发送同步信号，否则不可以。
8)is-boundary_clock／／该域表示本地时钟是否是一个边界时钟，如果为TRUE则是一个边界时钟，否则不是。
9)sync_interval／／该域用来计算本地时钟发送同步报文的时间间隔，其值为2的幂指数，如果取1，则表示每2秒发送一个同步报文，以此类推。

2．3 EPA 确定性调度技术
2．3．1 EPA通信调度原理

EPA 标准规定由EPA 通信调度管理实体保证EPA报文传输的确定性，EPA通信调度管理实体用于对EPA设备向网络上发送报文的调度管理。EPA通信调度管理实体采用分时发送机制，按预先组态的调度方案，对EPA设备向网络上发送的周期报文与非周期报文发送时间进行控制，保证在任意时刻网络上都只有一个报文在传输，以避免碰撞，同时保证了EPA周期报文和优先级高的非周期报文优先发送，加强了实时性。
EPA通信调度管理实体(EPA_CSME)位于数据链路层与网络层之间，EPA_CSME负责对需要发送到网络上的各种数据进行合理调度。在数据发送流程中，其接收IP层传下来的数据并放入EPA CSME的调度缓冲区中，当到达周期时间或者非周期数据优先级轮到时再将数据写入到网卡驱动中，并将数据发送到网络上去。
为了避免网络数据通信过程中数据碰撞的发生，确保数据通信的实时性与确定性，EPA将网络时间分为两个阶段：周期时间和非周期时间。周期时间内所有设备按照分配好的时间片进行通信，非周期时间内按照数据帧优先级进行通信。这样可以保证网络上数据的可靠传输。第一阶段称为周期数据传输阶段 ，第二个阶段为非周期数据传输阶段 。阶段，依据组态，微网段内的所有设备依次访问网络介质。每个EPA现场设备所发送的周期信息包括两部分，一部分是周期信息部分，它主要是指需要按周期传输的测量控制信息，或功能块输入、输出更新数据。第二部分是以广播或多播方式发送的非周期信息声明部分，包括本地设备有无非周期信息发送、本地设备非周期信息优先级以及本地IP地址等信息。在一个周期中，不同设备发送周期信息的时间相对于宏周期的起始时间的偏移量是不同的，避免了有多个设备同时发送信息，从而避免了网络上发生冲突的可能。同时，每个设备发送周期信息在时间上具有确定性。
阶段，进行非周期数据报文的发送。非周期数据是指用于以非周期方式在两个通信伙伴之间传输的数据，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，以及诸如ARP、RARP、HTFP、FTP、T P、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。

2．3．2 通信调度算法设计
2．3．2．1 周期报文发送阶段
该阶段发送的数据一般为实时数据，周期数据的发送主要取决于时钟同步精度及定时器精度。当一个周期报文被送到EPA_CSME时，EPA_CSME将其放到周期报文循环队列，同时当本地设备的周期时间发送偏差到来时，EPA_CSME从周期报文队列里按顺序取出报文进行发送，最后发送非周期数据声明报文。
2．3．2．2 非周期报文发送阶段
每一个需要发送非周期数据报文的本地设备，必须检测网络上当前可以发送的非周期报文级别。如果网络上当前可发送的非周期报文级别高于本地设备的非周期报文级别，则本地设备必须等待高级别的非周期报文发送完毕后，才可获得网络介质的访问权限。此时本地设备必须进一步检测当前剩余的时间是否足够发送非周期报文，如果有足够的时问，则发送非周期数据报文，数据发送完成后，本地设备发送非周期结束声明报文，以释放对网络的占有权，这样网络上的其他设备才可获得网络的使用权。
在非周期报文发送算法中，笔者研究其在软件上的实现是采用基于报文优先级和在报文头结构中增加布尔变量的方法，布尔变量的两种状态分别表示不发送和待发送状态。EPA标准中的报文优先级~ SYg6级，从0到5，其中O表示最高的优先级。所有待发送的报文将布尔变量置为待发送状态，并按优先级别顺序排列，在侦测到网络非占用时，优先级别高的待发送报文即可发送。此方法在实验室试验中已成功应用。

3 结束语
工业以太网技术是当今自动化领域发展的热点之一。它的出现，标志着工业控制技术领域又一新时代的开始。EPA标准作为我国的工业以太网标准，也是我国迄今为止首个被国际标准化组织接收和发布的工业自动化标准，实现了我国工业自动化领域国际标准零的突破。考虑到EPA控制网络是未来的应用方向，而当前这项技术还没有得到真正的成熟应用，所以研究EPA通信的相关技术具有重要的现实意义。