6第六章EPA工业以太网协议
工业以太网
最近刚刚发布的IEEE 802.3af标准中，对Ethernet的总线供电 规范也进行了定义。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输， 现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗 余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。 9.1.3几种典型的工业以太网简介 以下介绍几种典型的工业以太网： 1．HSE(高速以太网) HSE(High Speed Ethernet Fieldbus)由现场总线基金会组织 (FF)制定，是对FF-H1的高速网段的解决方案，它与H1现场总线整 合构成信息集成开放的体系结构。
工业以太网数据传输和管理的一个典型技术是，在应用层和传 输层之间增加中间件，对数据通讯进行管理和控制。
13
3．稳定性与可靠性
Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所用的接 插件、集线器、交换机和线缆等均是为商用领域设计的，而未针对 较恶劣的工业现场环境来设计。
随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了解决 在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题， 美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、Jetter AG等公司 专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN导 轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。
FF HSE的1-4层由现有的以太网、TCP/IP和IEEE标准所定义， HSE和H1使用同样的用户层，现场总线信息规范（FMS）在H1中定义 了服务接口，现场设备访问代理（FDA）为HSE提供接口。用户层规 定功能模块、设备描述（DD）、功能文件（CF）以及系统管理 （SM）。HSE网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要 适当增加了一些功能，但这些增加的功能可以在标准的Ethernet结 构框架内无缝地进行操作，因而FF HSE总线可以使用当前流行的商 用以太网设备。
工业以太网
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。
第六章现场总线控制系统
现场总线技术概述
自动化装置
1.2 现场总线系统的特点
现场总线系统的优点 一、节省硬件数量与投资 二、节省安装费用 三、节省维护开销 四、用户具有系统集成主动权 五、提高了系统的准确性与可靠性
更少的设计，简化了图纸
由于FCS结构减化，接线简单，使图纸减少简化。
自动化装置
DCS
DCS DCS DCS
现场总线技术概述
自动化装置
1.2 现场总线系统的特点
现场总线系统的结构特点
设备之间采用网络式连接是现场总线系统在结构上最显著的特 征之一。
现场总线系统中，由于设备增强了数字计算能力，有条件将各
种控制计算功能模块、输入输出功能模块臵入到现场设备之中。 借助现场设备所具备通信能力，直接在现场完成测量变送仪表 与阀门等执行机构之间的信息传送，实现了彻底分散在现场的 全分布式控制。
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
现场总线到气信号转换器FP302（FF协议）
. 输出0.02-0.1Mpa气信号 . 0.4%精度 . 低气源消耗 . 主站功能 . 自诊断功能 . 本地数字显示 . 全面安全认证: FM， CE . 功能块: AO, PID, ISS, ARTH, CHAR
自动化装置
1.1 现场总线简介
基于现场总线的数据通信系统
基于现场总线的数据通信 系统由数据的发送设备、 接收设备、作为传输介质 的现场总线、传输报文、 通信协议等部份组成。 这里的数据通信系统实际 上是一个以总线为连接纽 带的硬软件结合体。
基于现场总线的数据通信系统示例
现场总线技术概述
自动化装置
1.1 现场总线简介
FCS
DCS
I/O
06-EtherNetIP工业以太网和交换机_
Stratix 5700 组态
3 个基本平台提供 20 种规格 6、10 与 20 端口基本单元
6 个电口与 4 个电口 + 2 个 SFP 插槽 8 个电口 + 2 个组合* 端口 16 个电口 + 2 个组合* 端口 + 2 个 SFP 插槽
2 个千兆字节端口选件 SFP 插槽支持多模和单模光纤 可用多种 SFP 与思科其它 SFP 兼容 高级功能集满足以下需求： EtherNet/IP 应用 安全性 弹性与冗余 两种软件包可供选择 精简版与完整版 适用于恶劣环境的涂层防护方案
对于I/O网络，网络的恢复时间小于100ms的冗余协议才有意义。 对于运动控制网络，网络的恢复时间小于4ms的冗余协议才有意义。
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什么是Industrial IP Advantage
可组态的端口安全
保护工厂
加密的管理通信
SSHv2、SNMPv3 和 HTTPS 802.1x 用于用户身份验证 多层密码保护 访问控制列表 (ACL) 用于逐端口应用安全策略 TACACS+ 和 Radius 用于集中式身份认证
高级的安全功能
简化的工具有助于机器制造商保护其机器 高级功能集符合 IT 标准及策略
* 组合端口可以是 电口或 SFP
非常适合于从简单到复杂的应用
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《工业以太网》课件
03
CATALOGUE
工业以太网的实际应用案例
智能制造领域的应用
自动化生产线监控
工业以太网用于实时监控生产线的运行状态，确保生产过程的稳 定性和效率。
设备远程控制
通过工业以太网，实现对生产设备的远程控制，提高生产管理的 灵活性和便捷性。
数据采集与分析
工业以太网连接各种传感器和数据采集设备，实时采集生产数据 并进行深度分析，优化生产流程。
工业以太网用于构建智能城市的基础设施，如智能照明、智能安 防等。
物流管理
工业以太网用于实时追踪物流信息，提高物流管理的效率和准确性 。
矿业安全监控
工业以太网用于实时监测矿山的生产设备和环境状况，保障矿业生 产的安全。
04
CATALOGUE
工业以太网的发展趋势与未来展望
工业以太网的发展趋势
随着物联网、云计算等技术的发展，工业以太 网将与这些技术深度融合，实现更高效、智能
以太网技术不断发展，从最初 的10Mbps到现在的100Gbps ，具有很高的数据传输速率。
以太网协议与标准
以太网协议规定了数据帧的格 式、寻址方式、数据封装和解 封装等方面的规范。
以太网标准包括IEEE 802.3系 列标准，其中最常用的标准是 802.3u（快速以太网）、 802.3z（千兆以太网）和 802.3ae（万兆以太网）。
工业以太网的应用范围广泛，可以应用于各种工业设备和 系统中，如智能制造、智能物流、智能仓储等，对于工业 转型升级和智能化发展具有重要意义。
工业以太网的发展前景与挑战
工业以太网的发展前景广阔，随着工业自动化 技术的不断发展和进步，工业以太网的应用场 景和市场需求将会不断增加。
工业以太网技术全面解析
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。
工业控制网络(现场总线)EtherNetIP
6.2.4.6 ListServices
注：确定目的节点支持哪一个封装服务类。
6.2.4.6 ListServices
6.2.4.6 ListServices
6.2.4.7 SendRRData
注：传送一个封装的请求/回复数据包。
6.2.4.7 SendRRData
注：当用于封装CIP时，SendRRData请求 和响应被用于发送封装的UCMM报文。
6.2.3.2 命令区
注：若接收到不支持的命令，将把错误代 码返回给发送者。
6.2.3.3 长度区
封装报文的总长度应限制在65535字节以 内。一个报文的总长度应为长度区的值加上 封装头部的24字节长度。
6.2.3.4 会话句柄
会话句柄应由目标产生，并在对 RegisterSession请求的响应中返回给源发端。 源发端将其插入到发送给该特定目标的后续 的每个数据包中。一个特定命令是否需要一 个会话是在该命令的描述中被注明的。
多点播送的地址标准正在被制定且未被 使用。
6.4 物理层
同轴和COTS系统已用于信息系统和受限 的控制系统为主的工业环境。这些系统绝大 部分已成功地提供了10Mb/s的服务。
COTS部件的使用可能会降低系统性能。 使用这种产品或部件在控业控制应用中性能 不佳。基于工业EtherNet/IP产品的铜导线和光 纤可满足Ethernet/IP规范的所有的应用要求。
6.1 概述
6.1 概述
几个重要概念： 广播风暴 (broadcast storm)－ 网络上的一个错
误数据包的广播，它会引起多个主机立刻响应。一 般说来，这种平等的错误数据包会引起风暴，严重 地成指数增长。
数据报（datagram）－ 装载足够由一个源到目 的计算机的路由信息的数据的一个自身含有的独立 实体，而不需依靠源与目的计算机先前的信息交换 和传输网络。
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。
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EPA工业以太网协议
现场总线
6.1 EPA概述
工程师 站 EPA监控 级网络 EPA网桥 EPA现场 设备级网络
EPA多路模拟 信号输入输出 设备
EPA的系统结构
操作站 EPA代理
Internet
EPA远程 工作站
工业以太网
EPA网桥
EPA微网段1
EPA实时以太网
EPA微网段N
EPA实时以太网
EPA现场设备
Hale Waihona Puke EPA现场设备模拟信号
EPA 安全 EPA网关 栅 接入卡 EPA本安仪表
EPA无线 接入设备 EPA现场设备
其他现场总线
危险区域
传统模拟仪表 其他现场总线设备
EPA无线 现场设备
EPA工业以太网协议
现场总线
6.2 EPA系统特征
EPA现场设备支持的拓扑结构
星型网络
总线型
混合型网络
环型网络
EPA工业以太网协议
模拟信号
EPA 安全 EPA网关 栅 接入卡 EPA本安仪表
EPA无线 接入设备 EPA现场设备
其他现场总线
危险区域
传统模拟仪表 其他现场总线设备
EPA无线 现场设备
EPA工业以太网协议
现场总线
6.1 EPA概述
EPA的系统架构
EPA工业以太网协议
现场总线
6.1 EPA概述 EPA的发展历程
工业以太网研究 （1996-1999） 研究工业以太网 ，将以太网成功 应用于集散控制 系统DCS； EPA核心技术研究 标准制定 （2000-2005） 研究EPA工业实时 以太网，制定EPA 国家标准、国际标准； EPA国际标准发布 产业化推进 （2006-） 开发基于EPA的核心应用 技术，制定基于EPA的系 列国家标准、国际标准； 在此基础上，开发基于EPA 的系列产品，并在实际生 产装置上进行工程应用。
3
必须是安全的，即要保证各种特殊环境下预定功能的正确 执行，尤其是在石化等易燃易爆场合，避免危险灾难事件
EPA工业以太网协议
现场总线
6.3 EPA关键技术
EPA工业以太网协议
现场总线
6.2 EPA系统特征 EPA的系统构成 ● EPA微网段中可接入的现场设备有 EPA现场设备（如现场控制器、一体化仪表、远程I/O、 EPA本安仪表、无线接入设备、网关接入卡等） EPA无线现场设备（802.11、802.15等） 传统模拟仪表（4～20mA仪表等） 其他现场总线设备（如FF、Modbus等）
EPA工业以太网协议
现场总线
6.2 EPA系统特征 EPA的系统构成 ● EPA系统是一种分布式系统，将分布在现场的若干个设 备、小系统以及控制/监视设备连接起来，使所有设备一 起运作，共同完成工业生产过程和操作中的测量和控制。 ● 针对大规模控制系统的应用要求，EPA网络可由多个 EPA微网段构成，微网段间通过网桥相互连接，网桥的作 用： 通信隔离 报文的转发与控制
现场总线技术
第六章
现场总线技术课程内容结构
现场总线
第一章 现场总线技术概述
第二章 数据通信基础
第三章 控制网络基础
现场总线协议
第四章 HART通信协议
工业以太网技术
第五章 工业以太网
第六章 EPA工业以太网协议
第五章内容回顾
现场总线
一、工业以太网简介 二、以太网的物理连接与帧结构 三、TCP/IP协议组 四、典型的工业以太网
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9
即插即用
EPA工业以太网协议
现场总线
6.2 EPA系统特征 EPA的物理特性和总线供电 ● EPA的物理特性 EPA网络中，物理层使用的是基于以太网的通信线缆，包 括同轴电缆、双绞线和光缆。而现场仪表以及整个控制系 统之间的通信都是使用普通的RJ45和光纤、双绞线和同轴 电缆等，都是市面上可以买到、无需特制的以太网产品， 这大大方便了用户的使用。 EPA控制系统的通信速率可达到10M、100M、1000M甚 至更高。
EPA标准体系
EPA国家标准
EPA 系统结构与 EPA 功能块 技术规范 通信规范 EPA 网络安全 规范
EPA分布式冗余协议 DRP IEC 62439-6
EPA现场总线协议
IEC61158/Type14
功能安全通信协议 EPASafety IEC 61784-3-14
EPA 实时性
测试规范 EPA 协议一致性 测试规范
现场总线
EPA工业以太网协议
一、EPA概述 二、EPA系统特征 三、EPA关键技术 四、EPA应用技术 五、EPA系列产品 六、EPA测试系统 七、EPA推广应用
现场总线
EPA工业以太网协议
本章思考题
一、简述EPA协议标准。 二、EPA系统有哪些基本特征？ 三、什么是EPA系统的分布式自组织系统管理技术？ 四、简述EPA的三大关键技术及其解决的问题。 五、阐述EPA通信确定性的实现方法。 六、EPA测试系统包括哪些方面的测试？
经受实践考验
产品类型丰富 2003年以来，已成功应用于多个大 型项目
EPA工业以太网协议
现场总线
6.3 EPA关键技术 以太网用于工业控制必须解决的问题 1
商用以太网采用CSMA/CD机制，通信具有不确定性， 特别对于强实时控制系统，必须保证数据传输实时性
2
必须具有高可用性，即任何一个系统组件发生故障时， 都不至于引起整个系统的瘫痪，并且能够实现故障自愈
EPA工业以太网协议
现场总线
6.2 EPA系统特征 分布式自组织系统管理技术
● 在EPA控制系统中，每个EPA设备内部，都实现了如下的管理功
能：设备组态、设备自诊断和性能检测、实时优化和设备配臵变更 历史纪录管理； ● 当设备上线后，自动扫描现场设备并分配一个唯一的网络地址、 设臵数据传输参数等； ● 在用户界面中以列表形式将现场设备罗列出来，并将设备的可视 化信息在现场设备的子目录下显示； ● 在设备组态的同时可以实现控制策略组态； ● 支持离线的组态方式，允许提前组态并存储，当连接设备上线时， 再下载组态方案。
EPA 互可操作性 测试规范
EPA线缆与安装标准 IEC 61784-5-14
EPA工业以太网协议
现场总线
6.2 EPA系统特征
1 2 3 4 5 传输介质 通信速率 拓扑结构 支持多种应用场合 多业务信息复合传输
同轴电缆、双绞线和光缆等，无需特制 EPA通信速率达10Mbps/100Mbps/1Gbps甚 至更高 EPA支持星型、环型、总线型以及以上多种 结构混合的拓扑结构 可用于对环境、性能有特殊要求的多种场 合和领域 支持数据、视频、语音等多业务信息的复 合传输
率的前提下： 1. 封装了协议相关的具体的数据操作，提供了统一的通信接口，避免 了控制系统中同一设备的不同驱动程序同时访问设备造成的访问冲突 问题。 2. 实现了对主流的监控软件的兼容性，监控软件等OPC客户程序可以 很方便的访问和设臵EPA控制系统中的数据。 ● 不同用户只要遵循OPC技术标准就可以实现软硬件的互操作，无需 知道协议细节。用户完全可以利用自身已有的监控软件或者市售软件， 配合EPA的硬件，方便的进行高可靠性、高柔韧性控制系统的集成。
●
EPA工业以太网协议
现场总线
6.2 EPA系统特征
上位机 (EPA组态、监控 软件)
EPA网桥
无线接入
EPA控制层网络
EPA现场设备层网段
…
D1
EPA有线现场设备
D5
D2 D3 D4
网关节点
无线节点
D6 D7 D8 D9 D10 D11
通信单元簇
EPA无线网络
EPA工业以太网协议
现场总线
6.2 EPA系统特征 与用户已有系统的接入
真正的工业以太网
采用标准的以太网帧 支持HTTP、FTP、TCP/IP等协议 “E”网到底
良好的性价比
性能居于国际领先水平 产品价格远远低于其他同等性能 国际现场总线 软硬件资源丰富
更加灵活的拓扑结构
支持所有的拓扑结构：线型、树型、 星型和环形 每段最多可连接65535个节点
EPA优势
EPA工业以太网协议
现场总线
6.2 EPA系统特征 带宽利用率 ● 采用了基于专利的确定性通信调度技术，整个EPA的通 信网络，不会冲突、无碰撞、无丢包。
为了节省时间片，EPA控制系统为每个设备精确分配了 时间槽，通信调度中为单个设备分配的最小时间槽可达 7μs；由此，EPA系统实现了80%以上的带宽利用率。
现场总线
EPA工业以太网协议
6.1 EPA概述 什么是EPA？ ● Ethernet for Plant Automation 标准用于工业测量与 控制系统的EPA系统结构与通信规范。 ● Ethernet、TCP/IP等商用计算机通信领域的主流技术 直接应用于工业控制现场设备间的通信，并在此基础上， 建立的应用于工业现场设备间通信的开放网络通信平台。 ● 提供了基于工业以太网的实时通信控制系统解决方案。
现场总线
6.2 EPA系统特征
级联交换机
交换机级联结构
冗余环网
EPA总线供电交换 机
级联交换机
EPA总线供电交换 机
EPA总线供电交换 机
支持冗余环网结构的 EPA总线供电交换机
交换机的环形网方式
交换机的星型多级级联方式 冗余环网
支持冗余环网结构的 EPA总线供电交换机
交换机的混合连接方式
EPA总线供电交换机
EPA工业以太网协议
现场总线
6.2 EPA系统特征 EPA的物理特性和总线供电 ● 总线供电 基于EPA的现场仪表通过同一根双绞线即可实现通信的同 时，能够提供仪表工作所需的工作电源。即由总线馈电式 交换机提供终端仪表工作电源。总线供电的电压范围为 22.8v-35v，而为每个EPA设备的供电标准电流为0.2A， 完全可以满足绝大多数现场仪表供电的需要。