實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標準化新進(jìn)展
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20世紀80年代中期產(chǎn)生的現場(chǎng)總 線(xiàn)，將智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統以全數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信控制網(wǎng)絡(luò )連接，使工業(yè)控制系統向分散化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化發(fā)展成為可能，使工業(yè)控制系統的體系結構和功能結構產(chǎn)生重大變革。
現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準IEC61158經(jīng)過(guò)16年的爭論和斗爭后，放棄了其制定單一現場(chǎng)總線(xiàn)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(lèi)型，而成為10種類(lèi)型)類(lèi)型總線(xiàn)的國際標準。這說(shuō)明各大總線(xiàn)各具特點(diǎn)、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(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，廣大工控專(zhuān)家、制造商和用戶(hù)也逐漸認識到，現場(chǎng)總線(xiàn)之所以沒(méi)有能實(shí)現統一，除了它們的技術(shù)特色和背后支持的公司間的利益沖突外，還因為現場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展過(guò)程中，過(guò)多地強調了自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )的特殊性，忽視了信息技術(shù)的發(fā)展成果，致使現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、產(chǎn)品和應用發(fā)展緩慢。
與此同時(shí)，壟斷了辦公自動(dòng)化領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò )通信的以太網(wǎng)技術(shù)，由于具有成本低、穩定性和可靠性高、應用廣泛、軟硬件資源豐富等諸多優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是大型跨國企業(yè)還是中小型自動(dòng)化企業(yè)，都在過(guò)程控制領(lǐng)域管理層和控制層等中上層網(wǎng)絡(luò )通信中采用了以太網(wǎng)。事實(shí)證明，這些應用非常成功，更重要的是，通過(guò)一些實(shí)時(shí)通信增強措施，以太網(wǎng)可以滿(mǎn)足工業(yè)數據通信的實(shí)時(shí)性要求，并可以直接向下延伸應用于工業(yè)現場(chǎng)設備間的通信。
一 為什么要制定實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標準
眾所周知，工業(yè)數據通信網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )不同，工業(yè)數據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(wèn)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(gè)需要互相通信的設備所采用的通信介質(zhì)、信號類(lèi)型、信號大小、信號的輸入/輸出匹配等幾方面參數以及數據鏈路層協(xié)議符合同一標準，不同設備就能連接在同一網(wǎng)絡(luò )上實(shí)現互連。如果僅僅實(shí)現設備互連，但沒(méi)有統一的高層協(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(shí)現信息互通，也就不可能實(shí)現開(kāi)放系統之間的互可操作?；タ刹僮餍允侵高B接到同一網(wǎng)絡(luò )上不同廠(chǎng)家的設備之間通過(guò)統一應用層協(xié)議進(jìn)行通信與互用，性能類(lèi)似的設備可以實(shí)現互換，它是工業(yè)數據通信網(wǎng)絡(luò )區別于一般IT網(wǎng)絡(luò )的重要特點(diǎn)。
對應于ISO/OSI開(kāi)放系統互連模型，ISO/IEC8802-3只規定了以太網(wǎng)的物理層、數據鏈路層規范，而TCP/IP協(xié)議作為基于以太網(wǎng)“事實(shí)上”的標準，也只規定了網(wǎng)絡(luò )層與傳輸層規范，其中網(wǎng)絡(luò )層規定了基于IP的網(wǎng)絡(luò )連接、維持和解除，即規定了基于IP的路由選擇；而TCP協(xié)議(包括UDP)則規定了開(kāi)放系統之間的數據傳送控制、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(wú)法解決開(kāi)放系統之間的信息互通問(wèn)題。要解決基于以太網(wǎng)的工業(yè)現場(chǎng)設備之間的互可操作性問(wèn)題，必須在以太網(wǎng)、TCP(UDP)/IP協(xié)議的基礎上，制訂統一并適用于工業(yè)現場(chǎng)控制的應用層服務(wù)和協(xié)議。至于ISO/OSI通信模型中的會(huì )話(huà)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(shí)時(shí)以太網(wǎng)國際標準化
1. 范圍
2003年5月，IEC發(fā)起一個(gè)針對實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應用行規的新工作項目65C/306/NP“測量和控制數字數據通信——實(shí)時(shí)應用中基于ISO/IEC8802-3的通信網(wǎng)絡(luò )行規”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應用行規標準)，其內容是：
規定實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(RTE)的分類(lèi)框架，即對實(shí)時(shí)以太網(wǎng)需求進(jìn)行分類(lèi)；
基于ISO/IEC 8802-3、IEC 61784-1(基于IEC61158的應用行規)及其最新版本，定義相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )部件應用行規；
與引用這些現存標準相關(guān)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(luò )以及實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的發(fā)展需求和趨勢。
但在專(zhuān)家組對該提案進(jìn)行討論時(shí)，多數專(zhuān)家認為如果將實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應用行規的定義范圍僅僅局限在IEC 61784-1(或IEC61158)規定的10種類(lèi)型現場(chǎng)總線(xiàn)應用行規，不能反映市場(chǎng)上對實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的真正需求，也違背了開(kāi)放的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應用事實(shí)，另外，專(zhuān)家們認為，僅有ISO/IEC8802-3協(xié)議規定的物理層和數據鏈路層，而沒(méi)有定義應用層服務(wù)和協(xié)議規范，標準所規定的實(shí)時(shí)應用行規既不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)要求，更不能保證不同廠(chǎng)商設備之間的互可操作。
會(huì )議經(jīng)過(guò)反復、認真討論，最終同意考慮IEC 61784-1所規定的應用行規之外的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)提案。之后，由相關(guān)專(zhuān)家將幾種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)提案分別做了詳細的技術(shù)報告，專(zhuān)家組也對這些提案做了認真的審查和討論，認為這些實(shí)時(shí)以太網(wǎng)提案各自具有一定的技術(shù)特色，并在一些領(lǐng)域得到了成功應用，具有一定市場(chǎng)，應該被考慮列入實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應用行規國際標準。
會(huì )后由專(zhuān)家組召集人將專(zhuān)家意見(jiàn)與IEC/SC65C主席、秘書(shū)長(cháng)、技術(shù)協(xié)調人等進(jìn)行交換后認為，這些實(shí)時(shí)以太網(wǎng)提案均具有一定代表性，反映了當前實(shí)時(shí)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(lèi)型”的決定，IEC認為這些新的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)可以作為PAS(Publicly Available Specification)規范予以發(fā)布，并在將要制定的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應用行規國際標準IEC 61784-2中正式加以引用，其中，中國的EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)被列為其中的第14子集(Common Profile Family 14, CPF14)。
2. 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應用行規
IEC61784-2“測量與控制數字數據通信—實(shí)時(shí)應用中的基于ISO/IEC8802-3的通信網(wǎng)絡(luò )附加行規”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應用行規國際標準)的制定原則是，為滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)需求，通過(guò)定義以下內容，為用戶(hù)應用時(shí)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)類(lèi)型選型提供參考：(1) 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)需求的分類(lèi)框架；(2) 基于ISO/IEC 8802-3、IEC61784-1(或IEC61158)、新的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)PAS應用行規和相關(guān)網(wǎng)絡(luò )組件應用行規；(3) 與現有標準相關(guān)的引用參考。
同時(shí)規定，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)RTE(Real-time Ethernet)不應改變ISO/IEC8802-3通信網(wǎng)絡(luò )、相關(guān)網(wǎng)絡(luò )組件或IEC1588的總體行為，但可在一定程度上進(jìn)行修改，使之滿(mǎn)足實(shí)時(shí)行為：(1) 實(shí)時(shí)性，即確定性通信；(2) 現場(chǎng)設備之間的時(shí)間同步行為；(3) 充分、頻繁的短長(cháng)度數據交換。
以支持在控制器之間甚至在現場(chǎng)設備與控制器之間的工業(yè)通信采用以太網(wǎng)技術(shù)，支持現場(chǎng)區域的直接互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)能力，并支持基于ISO/IEC的應用與RTE在同一網(wǎng)絡(luò )上并行運行。
實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分類(lèi)框架
所謂實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分類(lèi)，就是從最終用戶(hù)和制造商對實(shí)時(shí)以太網(wǎng)需求出發(fā)，定義一些相關(guān)的性能指標，以反映實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò )的能力。
這些性能指標包括：交付時(shí)間(Delivery time)，端節點(diǎn)數(Number of end nodes)，基本網(wǎng)絡(luò )拓樸(Basic network topology)，端節點(diǎn)間交換機的數量(Number of switches between end nodes)，RTE吞吐量(Throughput RTE)，非RTE吞吐量(Throughput non-RTE)，時(shí)間同步精確度(Time synchronization accuracy)，冗余恢復時(shí)間(Redundancy recovery time)等等。
一種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)RTE類(lèi)型的行為能力可通過(guò)以上幾種(不一定是全部)相關(guān)聯(lián)的性能指標組合來(lái)反映。
一致性測試應用行規
一致性測試應用行規是為證實(shí)一個(gè)CP(Common Profile)行為性能指標是否滿(mǎn)足所規定的行為，針對實(shí)時(shí)以太網(wǎng)類(lèi)型與RTE設備、網(wǎng)絡(luò )組件的性能測試而規定的應用行規。
一致性測試應用行規僅規定實(shí)時(shí)以太網(wǎng)類(lèi)型性能測試應遵循的一般方法與要求，但不規定具體的測試方法。
一致性測試應用行規規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(shí)時(shí)以太網(wǎng)應用行規
IEC61784-2還將針對IEC61784-1或IEC61158、新的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)PAS編寫(xiě)應用行規。其中，允許每一種CPF(Common Profile Family)細分為若干不同的CP，并列寫(xiě)出每一種CP的相關(guān)性能指標。
這樣，用戶(hù)就可能根據其應用需求，根據IEC61784-2選擇其相應的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)類(lèi)型，其需求越高，可供選擇的RTE類(lèi)型就越少，如圖所示。
三 EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標準化
在國家科技部“863”計劃的支持下，浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、重慶郵電學(xué)院、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)等單位聯(lián)合成立了標準起草工作小組，經(jīng)過(guò)兩年多的技術(shù)攻關(guān)，起草了我國第一個(gè)擁有自主知識產(chǎn)權的現場(chǎng)總線(xiàn)國家標準《用于工業(yè)測量與控制系統的EPA通信標準》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《EPA標準》)。
《EPA標準》的起草思路是，通過(guò)增加一些必要的改進(jìn)措施，改善以太網(wǎng)的通信實(shí)時(shí)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(wù)和協(xié)議規范，將在IT領(lǐng)域應用較為廣泛的以太網(wǎng)(包括無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、藍牙)以及TCP/IP協(xié)議應用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統中由信息管理層、過(guò)程監控層直至現場(chǎng)設備層的無(wú)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范、定義基于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的應用層服務(wù)和協(xié)議規范、基于XML的電子設備描述等內容，為用戶(hù)應用進(jìn)程之間無(wú)障礙的數據和信息交換提供統一的平臺。
《EPA標準》的特點(diǎn)如下：
兼容性
EPA控制系統兼容IEEE802.3、IEEE802.1P&Q、IEEE802.1D、IEEE802.11、IEEE802.15以及UDP(TCP)/IP等協(xié)議。
微網(wǎng)段化系統結構
EPA控制系統中，控制網(wǎng)絡(luò )劃分為若干個(gè)控制區域，每個(gè)控制區域即為一個(gè)微網(wǎng)段。每個(gè)微網(wǎng)段通過(guò)EPA網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段進(jìn)行分隔，該微網(wǎng)段內EPA設備間的通信被限制在本控制區域內進(jìn)行，而不會(huì )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(jìn)行轉發(fā)控制。
確定性通信
本標準在數據鏈路層與網(wǎng)絡(luò )層之間定義了一個(gè)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(guò)該通信調度管理接口，EPA設備按組態(tài)后的順序，采用分時(shí)發(fā)送方式向網(wǎng)絡(luò )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(luò )報文并行傳輸
在不影響實(shí)時(shí)性的前提下，支持EPA報文與通用網(wǎng)絡(luò )報文并行傳輸。
分層的安全策略
對基于EPA的分布式現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )控制系統，從企業(yè)信息管理層、過(guò)程監控層和現場(chǎng)設備層3個(gè)層次，采用不同的安全技術(shù)，如防火墻技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )隔離、硬件加鎖等安全措施。
網(wǎng)絡(luò )供電
基于IEEE802.3af標準，本標準規定了基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )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(yǔ)言，規定了EPA設備資源的描述方法，以實(shí)現不同EPA設備的互可操作。
標準起草工作組一方面進(jìn)行聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，另一方面結合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工程應用實(shí)踐，同時(shí)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(guò)幾次專(zhuān)家技術(shù)評審后，形成了標準征求意見(jiàn)稿?！?004年5月，《EPA標準》征求意見(jiàn)稿已通過(guò)了全國工業(yè)測量與控制標準化技術(shù)委員會(huì )TC124/SC4(工業(yè)數據通信)的審查，委員會(huì )高度評價(jià)了標準起草的工作，一致同意在征求意見(jiàn)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(guò)了由全國工業(yè)測量與控制標準化技術(shù)委員會(huì )組織的專(zhuān)家技術(shù)審查。標準起草工作組根據本次技術(shù)審查意見(jiàn)，進(jìn)行修改，將于近日向標委會(huì )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(yǔ)
《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(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)國家標準，是由國內從事工業(yè)自動(dòng)化控制系統以及現場(chǎng)總線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )通信的研究、開(kāi)發(fā)、應用單位聯(lián)合開(kāi)發(fā)和編制的，得到了國家科技部和國家標委會(huì )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(dòng)化儀表研究所等單位的大力支持。
從技術(shù)上講，《EPA標準》已形成了其獨特的特點(diǎn)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工程應用上也有了比較好的基礎，已開(kāi)發(fā)出了基于EPA的變送器、執行器、現場(chǎng)控制器、數據采集器、遠程分散控制站、無(wú)紙記錄儀等產(chǎn)品，基于EPA的分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統已在化工廠(chǎng)得到成功應用。
一個(gè)技術(shù)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(kāi)始規劃一些技術(shù)交流和培訓工作，希望通過(guò)這些技術(shù)交流和培訓，一方面希望廣大控制系統、儀器儀表開(kāi)發(fā)制造企業(yè)、研究院所共同支持、開(kāi)發(fā)和應用EPA技術(shù)與產(chǎn)品；另一方面也希望廣大工控界專(zhuān)家一起來(lái)完善、發(fā)展EPA技術(shù)。
另一方面，與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應用行規國際標準IEC61784-2相配套，標準起草工作組已著(zhù)手EPA標準的認證、測試工作，以便為EPA產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、應用提供一致性的認證、測試平臺。
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