6第六章EPA工业以太网协议
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工业以太网工业以太网,所谓工业以太网通俗地讲就是应用于工业的以太网。
以太网是目前计算机局域网最常见的通信协议标准,但它是为办公自动化的应用而设计的,并没有考虑到工业现场环境的需求,比如高温、低温、防尘等,所以以太网不能直接应用于环境恶劣的工业现场。
所以工业以太网就随之产生了。
现代以太网技术与智能建筑以太网发展至今已有20余年历程,作为局域网组网的主要技术,一直长久不衰。
在这期间,令牌环、令牌总线、FDDI、ATM等技术分别在不同的阶段冲击着以太网在局域网领域的盟主地位。
但是以太网以其简单、价廉、高带宽、维护方便以及不断发展的特点牢牢地占领着局域网领域,并向着接入网和城域网领域发展。
自从以太网技术由共享发展到交换后,星型结构、交换与高带宽三大因素形成了与传统以太网大不相同的现代以太网技术。
进入21世纪以来,IT界已经不再寻找替代以太网的技术,转而寻找增强以太网的功能和将它扩展到新领域的途径。
现代以太网组网功能已经大大地超越了基本的以太网功能。
TCP/IP与以太网是开放性的强强组合,逐步渗透到建筑智能化领域的各个方面,给予智能建筑强大的生命力。
在智能建筑领域,TCP/IP以太网不仅作为信息服务/管理/监控的网络平台,而且越来越成为视频/语音等应用的支撑平台。
可以认为,随着安防数字化进程的加速,目前市场上直接采用标准双绞线和专用以太网来构成某些安防子系统的产品已经出现。
这样一来,出现基于以太网的多个子系统融合的、结构优化的、可靠的、—体化的安防系统已经不是一种方向性的讨论了。
在某些智能建筑的机电设备监控系统中,现场控制网络采用工业控制以太网已不是个别的案例了。
传统以太网(DIX)的核心思想是在共享的公共传输媒体上以半双工传输模式丁作,网络的站点在同一时刻要么发送数据,要么接收数据,而不能同时发送和接收。
导致十双工传输模式工作的主要原因在于公共传输媒体上站点发送帧的碰撞。
这种帧碰撞效应不仪限制了站点的传输带宽;而且还构成了束缚传输范围的碰撞域,大大影响了传输媒体(特别是光纤)的传输距离。
工业以太网技术全面解析高性能、工厂设备和IT系统集成,以及工业物联网的需求驱动促进了工业以太网的增长。
在实时工业以太网中,EPA、EtherCAT、RTEX、Ethernet Powerlink、PROFINET、Ethernet/IP、SERCOS III是主要的竞争者。
下面对它们进行简单比较。
Ethernet/IPEthernet/IP是2000年3月由Control Net International和ODV A( Open DevicenetVendors Association共同开发的工业以太网标准。
实现实时性的方法Ethernet/IP实现实时性的方法是在TCP/IP层之上增加了用于实时数据交换和运行实时应用的CIP协议(Common Industrial Protocol )。
Ethernet/IP在物理层和数据链路层采用标准的以太网技术,在网络层和传输层使用IP协议和TCP、UDP协议来传输数据。
UDP是一种非面向连接的协议,它能够工作在单播和多播的方式,只提供设备间发送数据报的能力。
对于实时性很高的I/O数据、运动控制数据和功能行安全数据,使用UDP/IP协议来发送。
而TCP是一种可靠的、面向连接的协议。
对于实时性要求不是很高的数据(如参数设置、组态和诊断等)采用TCP/IP协议来发送。
Ethernet/IP采用生产者/消费者数据交换模式。
生产者向网络中发送有唯一标识符的数据包。
消费者根据需要通过标识符从网络中接收需要的数据。
这样数据源只需一次性地把数据传到网上,其它节点有选择地接收数据,这样提高了通信的效率。
Ethernet/IP是在CIP这个协议的控制下实现非实时数据和实时数据的传输。
CIP是一个提供工业设备端到端的面向对象的协议,且独立于物理层及数据链路层,这使得不同供应商提供的设备能够很好的交互。
另外,为了获得更好的时钟同步性能,2003年ODV A将 IEEE 15888引入Ethernet/IP,并制定了CIPsync标准以提高Ethernet/IP的时钟同步精度。
EPA工业以太网带宽利用率研究EPA工业以太网带宽利用率研究摘要EPA工业以太网的带宽利用率是影响其通信实时性能的关键指标。
本文根据EPA确定性调度特征,分别对周期报文和非周期报文传输的带宽利用率进行了分析,建立了数学模型,并且提出了带宽利用率的测试方法以及改良措施。
【关键词】EPA 工业以太网带宽利用率确定性调度1 引言EPA是一种由中国自主研发的工业以太网技术,已经被现场总线国际标准收录。
作为一种工业控制网络,EPA的带宽利用率是影响其通信实时性能的关键指标。
带宽利用率过低不止意味着带宽的浪费,还会导致宏周期过长而降低数据更新频率。
所谓带宽利用率,指的是EPA设备所实际应用的数据发送时间与分配时间片的比率。
由于EPA系统的通信是按照确定性调度策略以宏周期为单位巡回执行,在一个宏周期中周期报文和非周期报文分别执行不同的调度策略,因此带宽利用率也应分周期带宽利用率和非周期带宽利用率分别研究。
本文以下内容将会对其进行探讨。
2 周期带宽利用率EPA对于周期报文的发送是以设备为单位进行,每个设备在预先配置的时间片中发送周期报文。
EPA周期带宽利用率指的是一个设备在一个周期时间片中实际利用时间与配置时间片的比率,每个设备都有自己的带宽利用率。
当设备检测到其周期时间片到达时,就将发送队列中的周期报文按照先进先出的原那么依次发送到网络上。
但需要注意的是,为了保证非周期报文的顺利发送,设备在发完周期报文后,还要发送1个数据量为108字节的周期数据发送声明报文。
因此,EPA周期带宽利用率指的是一个设备在一个宏周期中发送周期报文和E 报文所实际应用的时间与配置时间片的比率,如下式所示:式中,Si为设备i的周期带宽利用率;Hi为配置给设备i的周期时间片,此值在系统初始化配置时确定。
Ki为设备i的周期实际利用时间,即发送周期报文和E报文所消耗的时间,可由下式确定:式中,n为设备i所发送周期报文的数目,由于周期报文都是承载过程数据,在系统正常运行时,此值为定值;L为E报文发送耗时,由于E报文数据量固定为108字节,此值在确定的软硬件环境下可为定值;Rj为第j个周期报文的发送耗时,此值取决于设备的软硬件配置和报文的数据量,因此难以通过计算准确确定。
工业以太网的原理与应用1. 什么是工业以太网?工业以太网是一种用于工业环境中的高速、可靠的网络通信技术。
它基于以太网技术,通过将标准以太网协议进行扩展和优化,实现在工业环境中的实时通信和自动化控制。
工业以太网具有高性能、可扩展性强、标准化程度高等特点,被广泛应用于工业自动化领域。
2. 工业以太网的特点工业以太网相较于传统以太网,在工业环境下有以下特点:•实时性:工业以太网支持实时数据传输,能够满足对实时性要求较高的应用场景,如工业控制系统中的实时控制、监控等。
•可靠性:工业以太网通过采用冗余设计、网络切换等机制,提供了对网络故障具有容错能力的特点,以确保数据的可靠传输。
•安全性:工业以太网采用了加密技术、访问控制等安全机制,以保证数据的安全性,防止未经授权的访问和数据泄露。
•扩展性:工业以太网支持扩展性强,可以根据实际需求进行网络扩展和升级,满足不同规模和复杂度的应用场景。
3. 工业以太网的应用工业以太网在工业自动化领域有广泛的应用,主要包括以下几个方面:3.1 工业控制工业以太网可以用于工业控制系统中的实时控制和监控。
通过工业以太网,可以将传感器、执行器、PLC等设备连接到网络上,实现对工控设备的远程访问和控制。
在工业控制系统中,工业以太网可以提供快速、可靠的实时数据传输,实现对生产过程的精确控制和监测。
3.2 工业通信工业以太网可以用于工业通信领域,实现设备之间的高速数据传输。
通过工业以太网,可以将各种设备连接在同一网络上,实现设备之间的数据交换和共享。
工业以太网可以支持多种通信协议和通信方式,如TCP/IP、UDP等,满足不同设备之间的通信需求。
3.3 工业监测工业以太网可以用于工业监测系统,实现对生产过程的实时监测和数据采集。
通过工业以太网,可以将传感器、数据采集设备等连接到网络上,实现对生产设备、环境等的实时监测和数据采集。
工业以太网可以提供高带宽、低延迟的数据传输,满足对实时监测和数据采集的要求。
EPA简介EPA(Ethernet for Plant Automation)是在国家标准化管理委员、全国工业过程测量与控制标准化技术委员会的支持下,由浙江大学、浙江中控技术有限公司、中国科学院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、清华大学、大连理工大学、上海工业自动化仪表研究所、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、北京华控技术有限责任公司等单位联合成立的标准起草工作组,经过3年多的技术攻关,而提出的基于工业以太网的实时通信控制系统解决方案。
EPA实时以太网技术的攻关,以国家”863"计划CIMS主题系列课题"基于高速以太网技术的现场总线控制设备"、”现场级无线以太网协议研究及设备开发"、"基于'蓝牙’技术的工业现场设备、监控网络其及关键技术研究",以及”基于EPA的分布式网络控制系统研究和开发”、"基于EPA的产品开发仿真系统”等滚动课题为依托,先后解决了以太网用于工业现场设备间通信的确定性和实时性、网络供电、互可操作、网络安全、可靠性与抗干扰等关键性技术难题,开发了基于EPA的分布式网络控制系统,首先在化工、制药等生产装置上获得成功应用。
在此基础上,标准起草工作组起草了我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准《用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信规范》。
同时,该标准被列入现场总线国际标准IEC 61158(第四版)中的第十四类型,并列为与IEC 61158相配套的实时以太网应用行规国际标准IEC 61784—2中的第十四应用行规簇(Common Profile Family 14,CPF14),标志着中国第一个拥有自主知识产权的现场总线国际标准―――EPA得到国际电工委员会的正式承认,并全面进入现场总线国际标准化体系。
EPA关键技术1。
分布式精确时钟同步基于IEEE 1588精确时钟同步协议,EPA采用专利的时钟同步技术,将网络中各节点间时钟同步精度控制在1us之内,满足时间同步要求高的应用场合。
在工作中,很多新人问我究竟什么是现场总线,什么是工业以太网,对于刚入行的新人来说是比较难理解,我这里尽量采用通俗的讲法给大家解释一下现场总线和工业以太网。
现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起俩的一种工业控制技术。
通俗地讲,现场总线就是用在现场的总线技术,和计算机内部的总线概念一样,但是由于现场的特殊环境(如温度,安装条件,干扰等等),不同余计算机通常用于室内,为了区别,所以我们把这种总线称为现场总线。
做过PLC的人都知道,如果现场有100个I/0点,我们就需从PLC柜引超过100根的电线到现场,如果是1000个呢??所以有人就想,能不能把这些所有的点用一根电缆都连接起来呢?不错,现场总线就实现了这种功能。
它及大方便了布线。
还有一点,现场总线把原先PLC要实现的功能分散到了现场设备/仪表。
还有一点很重要:现场总线采用的数字传输。
数字化是各行各业普遍的趋势。
我们的电视现在都数字化了。
工业控制也要数字化!!数字传输比较模拟量传输就很大的优势!世界就是这么奇怪,当人类自以为聪明,把问题复杂话的时候惊奇的发现0和1才是世界的本质。
现场总线技术实际上是次采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号和连接方式,它依次实现了控制层和现场总线设别之间的数据传输,同时保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。
一般的现场总线具有以下几个特点:1、布线简单2、开放性3、实时性4、可靠性对于上面几个概念应该都比较好理解,深入的了解,大家可以参考相关资料。
工业以太网,所谓工业以太网通俗地讲就是应用于工业的以太网。
以太网是目前计算机局域网最常见的通信协议标准,但它是为办公自动化的应用而设计的,并没有考虑到工业现场环境的需求,比如高温、低温、防尘等,所以以太网不能直接应用于环境恶劣的工业现场。
所以工业以太网就随之产生了。
还有一个问题,很多人常问:为什么有那么多的现场总线协议,那么多的工业以太网协议呢?工业网络的发展经历了20多年,由于对未来的自动化控制的战略意义重大,市场潜力巨大,国际上著名的自动化设备制造商都千方百计地研发有自己特色的工业网络,各种现场总线和工业以太网相继产生。