實時以太網標準化新進展

關鍵詞：EPA標準　實時以太網　標準化
　　
20世紀80年代中期產生的現場總 線，將智能現場設備和自動化系統以全數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信控制網絡連接，使工業控制系統向分散化、網絡化和智能化發展成為可能，使工業控制系統的體系結構和功能結構產生重大變革。
　　
　 現場總線國際標準IEC61158經過16年的爭論和斗爭后，放棄了其制定單一現場總線標準的初衷，最終發布了包括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，隨著互聯網技術的發展，廣大工控專家、制造商和用戶也逐漸認識到，現場總線之所以沒有能實現統一，除了它們的技術特色和背后支持的公司間的利益沖突外，還因為現場總線發展過程中，過多地強調了自動化網絡的特殊性，忽視了信息技術的發展成果，致使現場總線技術、產品和應用發展緩慢。
　　
　　與此同時，壟斷了辦公自動化領域網絡通信的以太網技術，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點，無論是大型跨國企業還是中小型自動化企業，都在過程控制領域管理層和控制層等中上層網絡通信中采用了以太網。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，以太網可以滿足工業數據通信的實時性要求，并可以直接向下延伸應用于工業現場設備間的通信。
　　
一 為什么要制定實時以太網標準
　　
　　眾所周知，工業數據通信網絡與信息網絡不同，工業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以及數據鏈路層協議符合同一標準，不同設備就能連接在同一網絡上實現互連。如果僅僅實現設備互連，但沒有統一的高層協議(如應用層協議)，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，就不能實現信息互通，也就不可能實現開放系統之間的互可操作。互可操作性是指連接到同一網絡上不同廠家的設備之間通過統一應用層協議進行通信與互用，性能類似的設備可以實現互換，它是工業數據通信網絡區別于一般IT網絡的重要特點。
　　
　　對應于ISO/OSI開放系統互連模型，ISO/IEC8802-3只規定了以太網的物理層、數據鏈路層規范，而TCP/IP協議作為基于以太網“事實上”的標準，也只規定了網絡層與傳輸層規范，其中網絡層規定了基于IP的網絡連接、維持和解除，即規定了基于IP的路由選擇；而TCP協議(包括UDP)則規定了開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+TCP/IP協議是無法解決開放系統之間的信息互通問題。要解決基于以太網的工業現場設備之間的互可操作性問題，必須在以太網、TCP(UDP)/IP協議的基礎上，制訂統一并適用于工業現場控制的應用層服務和協議。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協議的接口。
　　
二 實時以太網國際標準化
1. 范圍
　　2003年5月，IEC發起一個針對實時以太網應用行規的新工作項目65C/306/NP“測量和控制數字數據通信——實時應用中基于ISO/IEC8802-3的通信網絡行規”(以下簡稱實時以太網應用行規標準)，其內容是：
規定實時以太網(RTE)的分類框架，即對實時以太網需求進行分類；
　　
　　基于ISO/IEC 8802-3、IEC 61784-1(基于IEC61158的應用行規)及其最新版本，定義相關的網絡部件應用行規；與引用這些現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控制網絡以及實時以太網的發展需求和趨勢。
　　
　　但在專家組對該提案進行討論時，多數專家認為如果將實時以太網應用行規的定義范圍僅僅局限在IEC 61784-1(或IEC61158)規定的10種類型現場總線應用行規，不能反映市場上對實時以太網的真正需求，也違背了開放的實時以太網應用事實，另外，專家們認為，僅有ISO/IEC8802-3協議規定的物理層和數據鏈路層，而沒有定義應用層服務和協議規范，標準所規定的實時應用行規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。
　　
　　會議經過反復、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時以太網提案。之后，由相關專家將幾種實時以太網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應用行規國際標準。
　　
　　會后由專家組召集人將專家意見與IEC/SC65C主席、秘書長、技術協調人等進行交換后認為，這些實時以太網提案均具有一定代表性，反映了當前實時以太網的應用成果，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技術可以作為PAS(Publicly Available Specification)規范予以發布，并在將要制定的實時以太網應用行規國際標準IEC 61784-2中正式加以引用，其中，中國的EPA實時以太網技術被列為其中的第14子集(Common Profile Family 14, CPF14)。
　　
2. 實時以太網應用行規
　　
　　IEC61784-2“測量與控制數字數據通信—實時應用中的基于ISO/IEC8802-3的通信網絡附加行規”(以下簡稱實時以太網應用行規國際標準)的制定原則是，為滿足工業自動化市場需求，通過定義以下內容，為用戶應用時的實時以太網類型選型提供參考：(1) 實時以太網需求的分類框架；(2) 基于ISO/IEC 8802-3、IEC61784-1(或IEC61158)、新的實時以太網PAS應用行規和相關網絡組件應用行規；(3) 與現有標準相關的引用參考。
　　
　　同時規定，實時以太網RTE(Real-time Ethernet)不應改變ISO/IEC8802-3通信網絡、相關網絡組件或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) 現場設備之間的時間同步行為；(3) 充分、頻繁的短長度數據交換。
　　
　　以支持在控制器之間甚至在現場設備與控制器之間的工業通信采用以太網技術，支持現場區域的直接互聯網訪問能力，并支持基于ISO/IEC的應用與RTE在同一網絡上并行運行。
　　
　　
　　實時以太網分類框架
　　所謂實時以太網分類，就是從最終用戶和制造商對實時以太網需求出發，定義一些相關的性能指標，以反映實時以太網通信網絡的能力。
　　
　　這些性能指標包括：交付時間(Delivery time)，端節點數(Number of end nodes)，基本網絡拓樸(Basic network topology)，端節點間交換機的數量(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RTE類型的行為能力可通過以上幾種(不一定是全部)相關聯的性能指標組合來反映。
　　一致性測試應用行規
　　一致性測試應用行規是為證實一個CP(Common Profile)行為性能指標是否滿足所規定的行為，針對實時以太網類型與RTE設備、網絡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時以太網類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。
　　
　　
　　實時以太網應用行規
　　IEC61784-2還將針對IEC61784-1或IEC61158、新的實時以太網PAS編寫應用行規。其中，允許每一種CPF(Common Profile Family)細分為若干不同的CP，并列寫出每一種CP的相關性能指標。
　　
　　這樣，用戶就可能根據其應用需求，根據IEC61784-2選擇其相應的實時以太網類型，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、清華大學等單位聯合成立了標準起草工作小組，經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場總線國家標準《用于工業測量與控制系統的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，改善以太網的通信實時性，在以太網、TCP/IP協議之上定義工業控制應用層服務和協議規范，將在IT領域應用較為廣泛的以太網(包括無線局域網、藍牙)以及TCP/IP協議應用于工業控制網絡，實現工業企業綜合自動化系統中由信息管理層、過程監控層直至現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的確定性通信調度規范、定義基于以太網和TCP/IP協議的應用層服務和協議規范、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據和信息交換提供統一的平臺。
　　
　《EPA標準》的特點如下：
　　
　　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等協議。
　　
　　微網段化系統結構
　　EPA控制系統中，控制網絡劃分為若干個控制區域，每個控制區域即為一個微網段。每個微網段通過EPA網橋與其他網段進行分隔，該微網段內EPA設備間的通信被限制在本控制區域內進行，而不會占用其他網段的帶寬資源。
　　
　　處于不同微網段內EPA設備間的通信，需由相應EPA網橋進行轉發控制。
　　
　　確定性通信
　　本標準在數據鏈路層與網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設備的報文發送調度。通過該通信調度管理接口，EPA設備按組態后的順序，采用分時發送方式向網絡上發送報文，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報文與通用網絡報文并行傳輸。
　　
　　分層的安全策略
　　對基于EPA的分布式現場網絡控制系統，從企業信息管理層、過程監控層和現場設備層3個層次，采用不同的安全技術，如防火墻技術、網絡隔離、硬件加鎖等安全措施。
　　
　 網絡供電
　　基于IEEE802.3af標準，本標準規定了基于以太網的網絡供電方法。
　　
　　
　　基于XML的EPA設備描述
　　本標準采用XML結構化文本語言，規定了EPA設備資源的描述方法，以實現不同EPA設備的互可操作。
　　
　　標準起草工作組一方面進行聯合技術攻關，另一方面結合產品開發、工程應用實踐，同時參考了國內外工業以太網最新發展成果，起草完成了《EPA標準》草案；在經過幾次專家技術評審后，形成了標準征求意見稿。　2004年5月，《EPA標準》征求意見稿已通過了全國工業測量與控制標準化技術委員會TC124/SC4(工業數據通信)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場總線國家標準，是由國內從事工業自動化控制系統以及現場總線、網絡通信的研究、開發、應用單位聯合開發和編制的，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，在產品開發和工程應用上也有了比較好的基礎，已開發出了基于EPA的變送器、執行器、現場控制器、數據采集器、遠程分散控制站、無紙記錄儀等產品，基于EPA的分布式網絡控制系統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、儀器儀表開發制造企業、研究院所共同支持、開發和應用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、發展EPA技術。
　　
　　另一方面，與實時以太網應用行規國際標準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、應用提供一致性的認證、測試平臺。