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文章编号：１００１—９９４４（２００６）０６—００７３—０３ 现场总线技术讲座 第七讲ＥＰＡ（下） 一个Ｌｌ微网段内ＥＰＡ现场设备之问的通信， ５ ＥＰＡ设备 其流量必须在本微网段内．不占用其它Ｌ１徽 ＥＰＡ系统中的设备有ＥＰＡ主设备、ＥＰＡ现场设 网段以及Ｌ２网段的通信带宽资源。 备、ＥＰＡ网桥、ＥＰＡ代理等几类，现分别简述如下： 一个ｕ微网段外的不同设备之间互相通信 （１）ＥＰＡ主设备 时，其流量必须在本微网段外，不占用本微网段 ＥＰＡ主设备是ＥＰＡ过程监控层Ｌ２网段上的 的通信带宽资源。 设备，具有ＥＰＡ通信接口，不要求具有控制应用功 这里所指的通信流量包括以广播一点对多点传 能块或功能块应用进程。它是指ＥＰＡ系统中的组 输的多播以及点对点传输的单播通信报文所占的带 态、监控设备或人机接口等。如操作站、工程师站 宽资源。 （组态用）等。ＥＰＡ主设备的ＩＰ地址在系统中必须 ２）报文转发与控制 是唯一的。 当一个Ｌ１微网段内的ＥＰＡ设备与其它Ｌ１微 （２）ＥＰＡ现场设备 网段或Ｌ２网段的设备进行通信时，由ＥＰＡ网桥负 ＥＰＡ现场设备是指处于工业自动化现场应用 责转发并进行控制。 环境的设备，如变送器、执行器、开关、数据采集器、 当一个Ｌｌ微网段内的设备向本微网段外的其 现场控制器等。ＥＰＡ现场设备必须具有ＥＰＡ通信实 它设备发送报文时。由ＥＰＡ网桥直接转发，或先缓 体，并至少包含有一个功能块单元。ＥＰＡ现场设备 存．再转发。 的ＩＰ地址在系统中必须是唯一的。 当一个Ｌｌ微网段外的设备向本网段内的设 （３）ＥＰＡ网桥 备发送报文时，将先由ＥＰＡ网桥进行缓存，并按 ＥＰＡ网桥是连接一个Ｌ１微网段与其它Ｌｌ网 照确定性调度所规定的顺序发送到本网段内的 段或Ｌ２网段的设备。 ＥＰＡ设备。 ＥＰＡ网桥不同于一般的以太网交换机或无线 例如：通过组态，ＥＰＡ网桥首先建立链路关系 访问点，它至少有二个ＥＰＡ接口，视不同应用，其中 表．该链路关系表以记录的形式记录本微网段内外 的任一个接口都可以是以太网、无线局域网、蓝牙接 需要通信的设备之问的通信链路关系信息，包括目 口，其中一个接口通过交换机（或无线访问点）连接 的与源ＩＰ地址、端口号、ＥＰＡ服务标识等；当网桥从 本微网段的其它ＥＰＡ设备，另一个接口用于连接 其任一个接口接收到一个报文时，根据该链路关系 Ｌ２网段。 表．对报文中的目的与源地址、端口号、ＥＰＡ服务标 一般每个Ｌｌ微网段使用一个ＥＰＡ网桥。但在 识等进行检查；当报文中的信息与存储在链路关系 系统规模不大。整个系统为一个微网段时，可以不使 表中的某一项记录相吻合时，才进行转发，否则将直 用ＥＰＡ网桥。 接丢弃．不予处理和转发。 ＥＰＡ网桥是可以组态的设备，必须具有以下 （４）ＥＰＡ代理 功能： ＥＰＡ代理是一个可选设备，它采用一般信息 １）通信隔离 网络技术（如ＣＯＭ组件）与其它网络进行数据的共 收稿日期：２ｏｏ６—０７—２７ 作者简介：夏德海，教授级高工，中国仪器仪表学会技术顾问。 自动诧与仪裹２００６（６） 困 维普资讯 http://www.cqvip.com
享和交换，以及对远稃访问的安全控制与管理。 ６ ＥＰＡ支持的通信调度方式 在ＥＰＡ系统中，数据链路层支持基于 ＩＥＥＥ８０２．３／１１／１５的非确定性与确定性通信二种通 信方式。 其中，连接在过程监控层的Ｌ２网段上的ＥＰＡ 设备（见图２），采用基于ＩＥＥＥ８０２．３／１１／１５的访问调 度机制，其发送报文的时间由用户自定义。 广— 萋’翮匪 ｌ霎藤 藁 图２ ＥＰＡ系统网络拓扑结构 在每个Ｌ１微网段内部．按ＥＰＡ规定的确定性 通信调度方案，每个ＥＰＡ设备按事先组态好的先后 顺序以及优先级大小，错时向ＥＰＡ网络上发送报 文，以避免二个设备在同一时刻向网络上同时发送 数据，从而避免了报文碰撞。 在ＥＰＡ系统中，ＥＰＡ设备之间的通信报文有两 大类，即周期报文与非周期报文。 （１）周期报文 是指用于传输过程周期数据的 ＥＰＡ报文以及有无非周期报文发送的声明报文。 过程数据是指用于需要按控制回路的控制周期传 输的测量值、控制值或功能块输入、输出更新的数 据。包括诸如压力、温度、流量、液位等测量值及控 制值。 周期报文按事先组态好的准确时间发送。 （２）非周期报文是指用于以非周期方式在两 个通信伙伴问发送非周期数据的报文。这些报文是 根据情况随机产生的。如程序的上下载报文、变量读 写报文、事件通知、报警趋势报告等报文，以及诸如 ＡＲＰ、ＲＡＲＰ（逆向地址解析协议）、ＨＴＦＰ、ＦＴＰ、Ｔ兀Ｐ （典型文件传输协议）、ＩＣＭＰ、ＩＧＭＰ、ＷＥＢ服务基于 ＩＥＥＥ８０２．３／１１／１５的其它协议的报文。非周期报文按 其优先级大小及时问有效方式发送 在ＥＰＡ系统中，报文发送的优先级分为下列几 级，即０、１、２、３、４、５、等，其中０表示最高优先级。 田 ７ ＥＰＡ确定性通信调度方案 在ＥＰＡＬ１网段的一个微网段内．所有ＥＰＡ设 备的通信均是按周期进行的，完成一个通信周期所 需的时问７１称为一个巡回周期。当ＥＰＡ设备的功能 执行采用按时间方式调度功能块执行时，巡回周期 即等于宏周期， 一个巡回周期分为二个阶段，其中第一个阶段 为周期报文传输阶段 ，第二个阶段为非周期报文 传输阶段 （图３）。 一 ｍ Ｉ～ ｌ ，¨Ｊ，如ｌ ｒ ＋－周期通信时间 ＿＿＋ ＋＿非周期通信时间 圈 ； ｉ ｉ 磷翻一 圈发送周期信息目请求发送非周期信息●发送非周期信息 图３ ＥＰＡ通信调度示意图 （１）周期报文的发送过程 在邛阶段，依据组态，一个Ｌ１微网段内所有 设备依次访问网络介质，按广播或多播方式向网络 上发送周期报文。 一个Ｕ微网段内，ＥＰＡ设备发送报文的时间 以其巡回周期开始时的“零”时间为时间基准．并为 每个ＥＰＡ设备发送周期报文定义了偏移量（Ｏｆｆ－ ｓｅｔ）。 例如：在一个通讯巡回周期内．一个ＥＰＡ设备 发送周期报文的时间偏移量为ｏｆｆｓｅｔ，当进行第Ⅳ 个巡回周期的通信时，该设备发送周期报文的时间 为ｎ・Ｔ＋ｏｆｆｓｅｔ；当该ＥＰＡ设备检测到其内部时钟等 于ｎ・Ｔ＋ｏｆｆｓｅｔ，将首先以发布者／预订者方式发送用 于传输过程数据的一个或多个周期报文。 紧接着，该设备向本微网段所有其它设备广播 本地设备的非周期报文声明消息，说明本地设备有 无非周期报文发送，如有时，则按本地等一个非周 期报文的优先级以及本地ＩＰ地址等信息通知其它 设备。 （２）非周期报文的发送过程 在７１ｎ阶段，每个ＥＰＡ设备根据在邛阶段接收 到的其它设备非周期声明信息，依据以下规则和步 Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ２００６（６） 维普资讯 http://www.cqvip.com
骤发送非周期报文： １）如本地设备无非周期报文发送，则不予处理。 ８ ＥＰＡ目前的状况与将来的发展 （１）ＥＰＡ目前的状况 ２）如本地设备有非周期报文发送，如本地的非 周期报文优先权最高，且本次巡回周期内剩余时间 足够该报文的完整发送，则发送非周期报文，转入第 １）基于ＥＰＡ的分布式网络控制系统已在杭州 某化＿【＝厂三套纯碱碳化生产装置上进行示范应用， 以对ＥＰＡ的标准进行验证。该系统于２００３年４月 ４）步：如本次巡回周期内剩余时间不足以该报文的 完整发送，则认为本地设备的非周期报文发送完毕． 转入第５）步。 ２０日经过调试正式投运，迄今运行稳定可靠，并得 到用户好评。 ２）目前ＥＰＡ已得到上海自动化仪表股份有限 ３）如本地设备有非周期报文发送，且本地的非 周期报文优先权与其它设备的非周期报文具有相同 公司，中国四联仪器仪表集团有限公司，吴忠仪表股 份有限公司，天津仪表集团有限公司，上海威尔泰Ｔ 业自动化股份有限公司以及华控等单位的大力支 持，已开发有关ＥＰＡ的产品。 ３）目前ＥＰＡ在实时性及时间上的确定性，互可 的优先级，如本地设备的ＩＰ地址较小，且本次巡回 周期内剩余时间足够该报文的发送，则发送非周期 报文；如本次巡回周期内剩余时间不足以该报文的 完整发送，则认为本地设备的非周期报文发送完毕， 转入第５）步。 操作，现场仪表供电及冗余化方面都已获得解决；但 在防暴场所的应用．以及在功能安全与网络安全等 方面正在进一步完善之中。 （２）ＥＰＡ将来的发展 １）ＥＰＡ将来很可能成为ＩＥＣ现场总线国际标 准之一。 ２）目前ＥＰＡ是浙大中控的理念Ｉｎｐｌａｎｔ（智能化 ４）如本地设备下一个非周期报文的优先级不小 于其它设备的非周期报文，且本次巡回周期内剩余 时间足够下一个非周期报文的发送，则发送该非周 期报文：如果本地设备的下一个非周期报文的优先 级小于其它设备的非周期报文，或者本次巡回周期 内剩余时间不足以本地设备中优先级最高的第一个 非同期报文发送，则认为本地设备的非周期报文发 工厂）的重要组成部分．虽然目前仅适用于过程自动 化（ＰＡ）领域；但将来会扩展到工厂自动化（ＦＡ）及运 动控制等领域的应用。 送完毕，转入第５）步。 ５）如本地设备的非周期报文发送完毕，则向网 总之．ＥＰＡ是我国拥有自主知识产权具有创新 络上发送“非周期报文发送完毕”声明消息，通知其 它设备发送非周期报文。 的实时以太网，当前主要的问题就是如何实现产业 化，迅速扩大应用，以占有市场的较大份额。当然，要 ６）其它具有非周期报文传输要求的ＥＰＡ现场 设备重复２）一４）步，直到本次巡回周期到，或所有设 备的非周期报文发送完毕。 做到这一点．除了研发单位的努力外，也还需要得到 各方面的大力支持。 ２００６年２月２８日至３月１日在上海召开的国 ７）继续下一个巡回周期的报文发送。 注：本确定性通信调度主要运用于ＩＥＥＥ８０２．３ 的微网段。对基于ＩＥＥＥ８０２．１ １及ＩＥＥＥ８０２．１５的微 网段．该调度方案不一定适用。 际ＦＦ会员大会上，本人了解到现场总线基金会目 前尚未启动基于以太网的ＦＦ。这就少了一个大的竞 争对手．希望ＥＰＡ能紧紧地抓住此机遇，以更快的 步伐谋求发展。 一 自动化与仪裹２００６（６） 田
