基于EPA的地面实时测控系统研究

北京宇航系统工程研究所 卢 頔

北京交大微联科技有限公司 武 欢

基于EPA的地面实时测控系统研究

北京宇航系统工程研究所 卢 頔

北京交大微联科技有限公司 武 欢

我国自行提出的EPA标准第一次得到了国际标准协会的认可，该技术具有的强实时性和高可靠性的特点，并且设计了一个确定性的网络架构，已步入国际先进行列。然而，EPA产品目前还比较单一，需要进一步研究和推广。但是，随着测控系统对实时性要求的不断提升，EPA技术必将拥有更加深远的研究价值和更为广阔的应用前景。

EPA；测控系统；实时

1 引言

近几年,随着以太网技术的发展,现行工业以太网的响应时间己缩短至5到10ms,完全可以与当前最主流的总线相媲美。然而,日益复杂的过程控制系统对网络的实时性提出了更高的要求,在这个背景下,实时以太网应运而生。

实时以太网(Real Time Ethernet)建立在IEEE 802.3标准基础上,是对标准以太网实时性的一种扩展,并可实现与标准以太网的无缝连接。2003年,IEC/SCBSC成立了名为“WALL”的实时以太网工作组,并且制定了一套涉及11种目前国际上最流行实时以太网的国际标准——IEC 61784《基于ISO/IEC 8802.3的实时应用系统中工业通信网络行规》国际标准,而作为我国工业自动化领域第一个被国际认可且收录的标准,EPA(Ethernet for Plant Automation)标准就位列其中［1］。

2 EPA技术原理

EPA标准全称为《用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信标准》,是在国家“863”计划支持下,在浙江大学、浙江中控技术股份有限公司共同主持下,联合中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、北京华控技术有限责任公司等多家国内单位,起草的第一个拥有自主知识产权的工业以太网国家标准［2］,其切实解决了现行工业以太网的确定性、实时性、安全性、可互操作性等方面的关键问题。

从拓扑结构上看,EPA网络由两级网络组成,即：现场设备级L1网和过程监控级L2网。

(1)L1网主要用于各现场设备之间及其与L2网之间的连接;

(2)L2网主要用于各类现场仪表、装置以及人机接口之间的连接。

上述两者均可进一步划分为一个或几个微网段［3］。每个微网段均通过EPA网桥与其他微网段进行分隔控制,并且,不同微网段内的EPA设备间也均通过EPA网桥实现数据交互。由此,同一微网段内的EPA设备就被限制在该微网段内部,其相互通信也不会抢占其它微网段的带宽资源。

此外,EPA标准仅在IEEE 802.3协议的数据链路层新增了一个通信调度管理实体,该实体支持两种通信调度模式——基于自由竞争的非确定性通信调度模式和基于分时发送的确定性通信调度模式［4］,这样就使得在提升网络实时性的同时,既延续了IEEE 802.3协议中数据链路层为IP层提供的各项服务,也保持了数据链路层与物理层的接口不变。

3 EPA技术特点

为保证EPA网络的强实时性和安全性,其具有如下技术特点［5］：

3.1 确定性通信

针对普通以太网的数据碰撞、报文传输延时和通信响应的不确定的问题,EPA采用确定性通信调度技术,将整个网络数据的传输阶段分为：周期数据传输阶段和非周期数据传输阶段数,变“随机发送”为“确定发送”,实现了通信的确定性。

(1)在周期数据传输时段,发明了基于角色平等的周期数据确定性传输调度方法——所有设备根据组态确定的时间片依次发送数据;

(2)在非周期数据传输时段,发明了基于优先级抢占式调度的非周期数据传输技术——所有数据根据优先级依次发送,完全避免碰撞。

最为独特的是,在EPA控制系统中,各设备的通信角色地位平等,无主从之分,任何一个设备的故障不会影响整个系统中其他设备的通信,避免了主从式、令牌式通信控制方式中由于主站或令牌主站的故障引起的整个系统通信的故障。

3.2 强实时性通信

EPA采用实时通信方法,将以太网通信通道划分为三个部分：同步实时通道、非同步实时通道以及非实时通道。

(1)同步实时通道用于传输有最高通信响应性能要求的同步数据传输,其优先级最高;

(2)非同步实时通道用于传输有较高通信响应性能要求的非同步数据传输,其优先级次高;

(3)非实时通道用于传输HTTP等对通信实时性无特殊要求的标准以太网报文,其优先级最低。

采用该种方式保证了实时数据得以优先传输,减少了通信排队处理延迟,提高了工业以太网通信的实时性。

3.3 高可靠性通信

高可靠性是工业控制网络的关键,EPA通过以下两项技术,使得在任一网络故障下,系统都能够迅速探测到故障,并能在可接受的时间范围内恢复正常。

(1)DRP(Distributed Redundancy Protocol)协议是由EPA标准推出的一项针对环形网络的、主动的、并行的故障探测技术,其分散了故障风险,缩短了环网重构时间。

(2)针对关键终端设备,EPA采用了数据并行传输与无扰动切换技术,实现了工作设备与备份设备的自动无扰动切换。

4 EPA技术应用

目前支持EPA网络的产品还不够完善,然而,随着工业控制网络技术的发展,以及一系列示范应用工程的引入,EPA技术在制造业、运动控制、楼宇自动化等方面的应用也必将越来越广泛。

依据技术原理,基于EPA的地面实时测控系统通过两层设计实现：其一,外层网络可以由各个被EPA网桥分割的多个分布式控制网段区域构成,充分应用更先进的信号处理技术和软件平台设计技术,采用更为成熟的控制算法,全面提升系统总体性能;其二,内层网络可以由加挂有各类I/O站等现场设备的环形网络构成,通过高可靠的DRP技术和高速网络通信技术,选用更高性能的微处理器,提高了局部网络的可靠性和实时性,从而使整个系统成为了一个功能完善、运行可靠、通信实时的新型分布式实时以太网测控系统。

5 结论

作为我国第一个被国际认可和接收的工业自动化领域标准,EPA的实时测控产品目前还比较单一。然而,随着测控系统对实时性要求的不断提升,EPA技术必将拥有更加深远的研究价值和更为广阔的应用前景。

[1]周百韬,毛先萍．EPA技术在液位控制系统中的应用[J]．工业控制计算机,2015, 4．

[2]林琳,刘宁．EPA工业以太网传输信息结构分析[J]．科技视界,2015, 1．

[3]王延宗．EPA在智能仪表中的应用研究[J]．科技资讯, 2014,26．

[4]刘宁．EPA工业以太网实时性分析及调度方法的研究[D]．大连理工大学,2010．

[5]刘宁,仲崇权．EPA网络控制系统时延特性分析[J]．计算机工程与应用,2009,3．