大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信和控制技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用成為當(dāng) 前控制領(lǐng)域的研究熱點。以太網(wǎng)自身存在的通信延遲不確定性是其進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的 主要技術(shù)障礙。 e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 是現(xiàn)場設(shè)備層的實時以太網(wǎng)解決方案，它通過對 i s o m c8 8 0 2 3 協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行擴(kuò)展，增加了一個通信調(diào)度管理實體來對數(shù) 據(jù)包發(fā)送進(jìn)行調(diào)度，避免碰撞從而增強(qiáng)實時性。 研究了i e e e l 5 8 8 精確時鐘同步協(xié)議的工作原理，深入分析了影響時鐘同步精度的 因素，在l i n u x 系統(tǒng)中，通過修改內(nèi)核的時鐘管理程序提高了時鐘精度，采用在網(wǎng)卡中 斷處理程序中記錄時間戳的方法來提高時間戳的準(zhǔn)確度，并對時問偏差使用迭代濾波的 方法進(jìn)行補(bǔ)償，從而實現(xiàn)了e p a 系統(tǒng)中設(shè)備問的精確時鐘同步，測試結(jié)果顯示同步精 度達(dá)到了1 0 9 s 。 研究了l i n u x 內(nèi)核的網(wǎng)路協(xié)議棧和鏈路層實現(xiàn)，在精確時鐘同步的基礎(chǔ)上，通過修 改l i n u x 內(nèi)核的q o s 接口和網(wǎng)卡驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了e p a 鏈路層實時調(diào)度規(guī)則。 組建了測試平臺，并開發(fā)了上、下位機(jī)測試軟件。測試平臺采用d u t 5 0 0 0 以太網(wǎng) 控制模塊，操作系統(tǒng)為l i n u x 。上位機(jī)測試軟件采用v c + + 6 0 開發(fā)，可以進(jìn)行可視化的 帶寬配置和圖形化的測試結(jié)果顯示。下位機(jī)采用l i n u xc 開發(fā)。通過對時鐘同步精度、 遞交時間和調(diào)度等指標(biāo)的測試對e p a 網(wǎng)絡(luò)的實時性性能進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；e p a ；實時性；調(diào)度；l i n u x 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 t h er e s e a c ha n di m p l e m e n t a t i o no fi n d u s t r i a le t h e r n e tr e a l t i m e s c h e d u l i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r k , c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h e a p p l i c a t i o no fe t h e r n e ti nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l db e c o m e sar e s e a r c hh o t s p o t h o w e v e r , t h ei n h e r e n tu n c e r t a i n t yc a u s e db yc o m m u n i c a t i o nd e l a yo fe t h e m e th i g h l yp r e v e n t si t ss t e p i n t ot h ei n d u s t r i a lc o n t r o la r e a e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) i sad e v i c e - l a y e rs o l u t i o nf o r t h er e a l - t i m ee t h e m e t i te n h a n c e st h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fe t h e m e tb ye x p a n d i n gt h ed a t al i n kl a y e rs e ti n i s o i e c8 8 0 2 3p r o t o c o lw i t hac s m e ( c o m m u n i c a t i o ns c h e d u l i n gm a n a g e m e n te n t i t y ) w h i c hc o n s e q u e n t l ys c h e d u l e st h es e n d i n go fp a c k e t st oa v o i dd a t ac o l l i s i o ni nt h en e t w o r k t h i sp a p e rp r o v i d e sac o m p r e h e n s i v es t u d yo nt h ep r i n c i p l eo fi e e e l 5 8 8p r e c i s et i m e p r o t o c o la n dg i v e so u ta n a l y s i so ft h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h es y n c h r o n i z a t i o np r e c i s i o n a n a p p r o a c hi sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na m o n gd i s t r i b u t e d d e v i c e sb ym o d i f y i n gl i n u xk e m e l ，w h i c hi n c l u d e s ：1 ) e n h a n c i n gt h ep r e c i s i o no ft h ek e r n e l s d e f a u l tc l o c km a n a g e m e n tt i m e r ，2 ) c a p t u r i n gt i m es t a m p si nt h el i n kl a y e rb ym o d i f y i n gt h e 1 s ro fn i cd r i v e ra n d3 ) c o m p e n s a t i n gt h eo f f s e tb yi t e r a t e df i l t e r i n g t h et e s tr e s u l t i n d i c a t e st h a tap r e c i s i o no fl o m si sa c h i e v e d b a s e du p o nt h ep r e c i s ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，t h ea r c h i t e c t u r eo ft h en e t w o r kp r o t o c o l s t a c ka n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fd a t al i n kl a y e ri nt h el i n u xk e r n e la r es t u d i e da n dt h e ng i v e a l li m p l e m e n t a t i o no fe p a sd a t al i n ks c h e d u l i n ga l g o r i t h mb ym o d i f y i n gt h eq o si n t e r f a c e a n dn i cd r i v e ri sg i v e n 一 1 1 l et e s tp l a t f o r mi se s t a b l i s h e db a s e do nd u t 5 0 0 0e t h e r n e tc o n t r o lm o d u l ea n dl i n u x o sa n dt h et e s tp r o g r a m sa r ed e v e l o p e ds e p a r a t e l yo np ca n di nt h ee m b e d d e dd e v i c e n e p ct e s tp r o g r a m ，d e v e l o p e di nv c + + 6 0 ，i su s e df o rt h ev i s u a lc o n f i g u r a t i o no fb a n d w i d t h a n df o r t h ed i s p l a yo fg r a p h i ct e s tr e s u l t t h ee m b e d d e dt e s tp r o g r a mi sd e v e l o p e dw i t hl i n u x c af i n a la n a l y s i so fe p a sr e a l t i m ep e r f o r m a n c ei sg i v e nt h r o u g ht h et e s t so fc l o c k s y n c h r o n i z a t i o na c c u r a c y ，d e l i v e r yt i m ea n ds c h e d u l i n g k e yw o r d s ：i n d u s t r i a le t h e r n e t ；e p a ；r e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ；s c h e d u l i n g ；l i n u x i i i 獨創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明：本碩士學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得大連理 工大學(xué)或者其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志 對本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 作者簽名：冀軀衛(wèi)!日期：翌卑：! 蘭：! 鄉(xiāng) 人連理i ：火學(xué)碩e 研究生學(xué)位論文 大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“大連理工大學(xué)碩士、博士學(xué)位 論文版權(quán)使用規(guī)定”，同意大連理工大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送 交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大連理 工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，也 可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。 作者簽名：董塾坦 導(dǎo)師簽名厶擻。， 絲皿年旦月盟日 大連理 大學(xué)碩士學(xué)位論文 1緒論 1 1 工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展歷史 隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)也不斷發(fā)生 變革。與此同時，作為控制系統(tǒng)的重要組成部分的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，也不斷地向前發(fā)展。 2 0 世紀(jì)6 0 年代，數(shù)字計算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，產(chǎn)生了第一代控制系統(tǒng)c c s ( 計算機(jī) 集中控制系統(tǒng)) 。在c c s 中，數(shù)字計算機(jī)取代了傳統(tǒng)的模擬儀表，從而能夠使用更為先 進(jìn)的控制技術(shù)，例如復(fù)雜控制算法和協(xié)調(diào)控制。從而使自動控制發(fā)生了質(zhì)的飛躍。但由 于控制簡單，直接面向控制對象，并未形成控制網(wǎng)絡(luò)體系。c c s 在集中控制的同時也集 中了危險，系統(tǒng)可靠性很低。由于只有一個c p u 工作，實時性差。系統(tǒng)越大，上述缺 點越突出【l j o 真正意義的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系是七十年代出現(xiàn)的第二代計算機(jī)控制系統(tǒng)：分散型控 制系統(tǒng)d c s ( 也稱集散控制系統(tǒng)) 。典型的d c s 可分為操作站級、過程控制級和現(xiàn)場儀 表3 級。這種控制系統(tǒng)的特點是“集中管理，分散控制”。其基本控制功能在過程控制 級中，工作站級的主要作用是監(jiān)督管理。分散控制使得系統(tǒng)由于某個局部的不可靠而造 成對整個系統(tǒng)的損害降到很低的程度，加之各種軟硬件技術(shù)不斷走向成熟，極大地提高 了整個系統(tǒng)的可靠性，因而迅速成為工業(yè)自動控制系統(tǒng)的主流。然而d c s 的缺點也是 十分明顯的。首先其結(jié)構(gòu)是多級主從關(guān)系，底層相互問進(jìn)行信息傳遞必須經(jīng)過主機(jī)，從 而造成主機(jī)負(fù)荷過重，效率低下，并且主機(jī)一旦發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就會“癱瘓”。其 次它是一種數(shù)字模擬混合系統(tǒng)，d c s 的現(xiàn)場儀表仍然使用傳統(tǒng)的4 2 0 m a 電流模 擬信號，傳輸可靠性差，成本商。再有各廠家的d c s 自成標(biāo)準(zhǔn)，通訊協(xié)議封閉，極大 的制約了系統(tǒng)的集成與應(yīng)用1 2 】。 為了克服d c s 系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，進(jìn)一步滿足現(xiàn)場的需要，現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)運而生， 現(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有數(shù)字計算和 數(shù)字通信能力，并按照公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微機(jī)化測量控制設(shè)備 之間以及現(xiàn)場儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實 際需要的自動控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用全分散控制?，F(xiàn)場設(shè)備既有檢測、變換、工 程量處理和補(bǔ)償功能，也有運算和控制功能。通過現(xiàn)場總線，將傳統(tǒng)d c s 、p l c 等控制 系統(tǒng)復(fù)雜的控制任務(wù)進(jìn)行分解，分散在現(xiàn)場設(shè)備中，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可 靠性、自治性和靈活性。 工業(yè)以太網(wǎng)實時調(diào)度技術(shù)的研究與實現(xiàn) 現(xiàn)場總線自2 0 世紀(jì)8 0 年代產(chǎn)生以來，由于適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化和智能化的 發(fā)展方向，受到全世界工業(yè)自動化領(lǐng)域的普遍關(guān)注，國際上產(chǎn)生了很多現(xiàn)場總線規(guī)范。 2 0 0 0 年m c 頒布的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)i e c 6 1 1 5 8 包含了f f 、p r o f i b u s 、c o n t r o l n e t 、 w o r l d f i p 、p n e t 、h s e 、s w i f t n e t 、i n t e r b u s 等在內(nèi)的8 種類型現(xiàn)場總線( 現(xiàn)已增加到 十種類型) 1 3 】。 由于技術(shù)和商業(yè)利益方面的原因，很難制定一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，導(dǎo)致 不同現(xiàn)場總線協(xié)議互不兼容，符合不同現(xiàn)場總線協(xié)議的控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)信息的無縫集 成，導(dǎo)致了新的“自動化孤島”的出現(xiàn)，這促使人們開始尋求新的出路【4 j 。在這種情況 下，廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域的以太網(wǎng)悄悄的進(jìn)入了工業(yè)控制領(lǐng)域，掀起了新一輪技術(shù)革新 的浪潮。 1 2 工業(yè)以太網(wǎng)簡介 1 2 1 以太網(wǎng) 以太網(wǎng)是i e e e8 0 2 3 所支持的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織開放系統(tǒng)互連參考 模型( i s o o s i ) 的7 層結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只定義了數(shù)掘鏈路層和物理層，作為一個完整 的通信系統(tǒng)，它需要高層協(xié)議支持。在制定t c p i p 高層通信協(xié)議，并把以太網(wǎng)作為其 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議之后，以太網(wǎng)便和t c p i p 緊密地捆綁在一起。通常將以太網(wǎng) 和t c p i p 協(xié)議一起稱作以太網(wǎng)技術(shù)。 與現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)因其協(xié)議簡單、完全開放、穩(wěn)定性和可靠性好而獲得全球 的技術(shù)支持，目前不僅在辦公室自動化領(lǐng)域，而且在各個企業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)也 都廣泛使用以太網(wǎng)技術(shù)，并開始向現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)延伸。其具有以下優(yōu)點【5 卅： ( 1 ) 應(yīng)用廣泛 以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，受到廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的 編程語言都支持e t h e r n e t 的應(yīng)用開發(fā)，如j a v a 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等。這些編程 語言由于廣泛使用，并受到軟件開發(fā)商的高度重視，具有很好的發(fā)展前景。因此，如果 采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，可以保證多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境供選擇。 ( 2 ) 成本低廉 由于以太網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛，因此受到硬件開發(fā)與生產(chǎn)廠商的高度重視和廣泛支持， 有多種硬件產(chǎn)品供用戶選擇，而且硬件價格也相對低廉。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格只有 p r o f i b u s 、f f 等現(xiàn)場總線的十分之一甚至百分之一，而且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其 價格還會進(jìn)一步下降。 ( 3 ) 通信速率高 大連理e 大學(xué)碩十學(xué)位論文 目前以太網(wǎng)的通信速率為1 0 m 、1 0 0 m 的快速以太網(wǎng)也丌始廣泛使用，1 0 0 0 m 以太 網(wǎng)技術(shù)也已經(jīng)成熟，1 0 g 以太網(wǎng)正在研究。其速率比目前的現(xiàn)場總線快很多，因此以太 網(wǎng)可以滿足對帶寬有更高要求的需要。 ( 4 ) 軟硬件資源豐富 由于以太網(wǎng)已應(yīng)用多年，人們對以太網(wǎng)技術(shù)的設(shè)計、應(yīng)用等方面有很多的經(jīng)驗，對 其技術(shù)也十分熟悉。大量的軟件資源和設(shè)計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大 加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。 ( 5 ) 資源共享能力強(qiáng) 利用e t h e m e t 作現(xiàn)場總線，很容易將v o 數(shù)據(jù)連接到信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)很容易以實 時方式與信息系統(tǒng)上層資源、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫共享。易于與i n t e m e t 互連，能實現(xiàn)辦 公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成。 因此，如果工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，就可以避免其發(fā)展游離于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的 發(fā)展主流之外，從而使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進(jìn)，共同發(fā)展，并保證技術(shù) 上的可持續(xù)發(fā)展，在技術(shù)升級方面無需單獨的研究投入。 1 2 2 工業(yè)以太網(wǎng) 所謂工業(yè)以太網(wǎng)，即是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，它在技術(shù)上與商用以太 網(wǎng)( 即8 0 2 3 標(biāo)準(zhǔn)) 兼容，但又必須滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信的需求。一般來講，工業(yè)控制 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該滿足以下要求【4 j ： ( 1 ) 具有較好的響應(yīng)實時性 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速度快，而且在工業(yè)自動化控制中還要求響應(yīng)快，即響 應(yīng)實時性好，一般為毫秒到0 1 秒級； ( 2 ) 容錯性要求 在網(wǎng)絡(luò)局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下，能在很短的時間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡(luò)鏈路； ( 3 ) 力求簡潔 減小軟硬件開銷，從而降低設(shè)備成本，同時也可以提高系統(tǒng)的健壯性； ( 4 ) 開放性好 即工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)盡量不要采用專用網(wǎng)絡(luò)。 根據(jù)所處的層次不同，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)又可分為過程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)， 其中，過程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)主要用于過程監(jiān)控、優(yōu)化、調(diào)度等方面信息的傳輸。其特點是信 息傳輸具有一定的周期性和實時性，數(shù)據(jù)吞吐量較大，因此要求網(wǎng)絡(luò)具有較大的帶寬， 以前由專用網(wǎng)絡(luò)如令牌網(wǎng)組成。而現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)處于工廠綜合自動化系統(tǒng)的最底層， 一3 j ：業(yè)以太網(wǎng)實時調(diào)度技術(shù)的研究與實現(xiàn) 用于連接工業(yè)現(xiàn)場變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、遠(yuǎn)程i o 數(shù)據(jù)采集器等現(xiàn)場設(shè)備。除了滿足上述 特點以外，應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)以太網(wǎng)還應(yīng)該滿足： ( 1 ) 環(huán)境適應(yīng)性要求 包括機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性( 如耐振動、耐沖擊) 、氣候環(huán)境適應(yīng)性( 工作溫度要求為一4 0 8 5 c ，至少為2 0 7 0 c ，并要耐腐蝕、防塵、放水) 、電磁環(huán)境適應(yīng)性或電磁兼容性e m c 應(yīng)符合e n 5 0 0 8 1 2 、e n 5 0 0 8 2 2 標(biāo)準(zhǔn)。 ( 2 ) 可靠性要求 即能安裝在工業(yè)控制現(xiàn)場，且能夠長時間連續(xù)穩(wěn)定運行。 ( 3 ) 安全性要求 在易暴可燃的場合，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品還需要具有防暴要求，包括隔暴、本質(zhì)安全兩 種方式。 ( 4 ) 總線供電要求 即要求現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。 這主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低成本。最近剛 推出的i e e e 8 0 2 3 a f 標(biāo)準(zhǔn)對總線供電進(jìn)行了規(guī)范。 ( 5 ) 安裝方便 適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的安裝要求，如采用d i n 導(dǎo)軌安裝。 1 。3 工業(yè)以太網(wǎng)的實時性問題 1 3 1以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的技術(shù)障礙 雖然以太網(wǎng)具備進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的條件，但以太網(wǎng)要想全面進(jìn)入現(xiàn)場控制領(lǐng)域， 甚至取代現(xiàn)場總線，成為工業(yè)控制領(lǐng)域統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，還存在以下技術(shù)障礙l ”j 。 ( 1 ) 通信不確定性 以太網(wǎng)采用c s m a c d 介質(zhì)訪問機(jī)制和b e b 算法處理沖突，和其他網(wǎng)絡(luò)如令牌網(wǎng)、 令牌環(huán)網(wǎng)、主從式網(wǎng)絡(luò)等相比，這是一種非確定性或隨機(jī)性通信方式，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)傳輸 延時和通信響應(yīng)的不確定性。對于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)的這種通信不確定性會導(dǎo)致系 統(tǒng)控制性能下降，控制效果不穩(wěn)定，甚至?xí)鹣到y(tǒng)振蕩；在有緊急事件發(fā)生時，還可 能因報警信息不能得到及時響應(yīng)而導(dǎo)致災(zāi)難事故的發(fā)生，這是以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng) 域的主要障礙。 ( 2 ) 不適應(yīng)于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境 大連理= 人學(xué)碩士學(xué)位論文 由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境與商業(yè)環(huán)境相比，條件惡劣，因此要求工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)必須具備氣 候環(huán)境適應(yīng)性，耐沖擊，耐振動，防塵防水，抗腐蝕以及較好的電磁兼容性，并要求很 高的可靠性。 ( 3 ) 安全性和總線供電 對于應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)，還要求具有向現(xiàn)場儀表提供電源的能力，即總線供電。 在易爆或可燃場合，還需要解決防爆包括隔爆、本質(zhì)安全等問題。同時還要控制對內(nèi)部 控制網(wǎng)絡(luò)的訪問，防止非授權(quán)用戶得到網(wǎng)絡(luò)的訪問權(quán)，強(qiáng)制流量只能從特定的安全點去 向外界，防止服務(wù)拒絕攻擊以及限制外部用戶在其中的行為。 以太網(wǎng)的通信存在不確定性，不能滿足實時性要求，成為以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng) 域的主要障礙。 1 3 2 實時性問題的理論研究現(xiàn)狀 在理論研究領(lǐng)域，為了改造以太網(wǎng)的實時性，國內(nèi)外學(xué)者專家提出了許多種方法。 這些方法主要可以分為兩類：修改以太網(wǎng)的m a c 層協(xié)議來達(dá)到確定性調(diào)度；在m a c 層之上增加實時調(diào)度層【1 2 1 。 修改m a c 層協(xié)議來獲取以太網(wǎng)確定性調(diào)度的方法，主要有英國特拉思克萊德大學(xué) 開發(fā)的t e m p r a 協(xié)謝1 3 1 ，美國加州大學(xué)開發(fā)的c s m a d c r 協(xié)議【體1 5 1 和佩特雷大學(xué)開 發(fā)的g i t c s m a c d 協(xié)議【”l 。它的主要思想是通過改動以太網(wǎng)的m a c 層，即改變原始 的載波偵聽、多路訪問和沖突檢測( c s m a c d ) 的運行機(jī)制，來達(dá)成確定性的以太網(wǎng)實 時通信目的。這些方案在一定程度上確實可以保證工業(yè)控制實時通信的時| 、h j 要求，但其 也有著不可避免缺點。由于以太網(wǎng)的m a c 層協(xié)議大都固化在硬件芯片中，修改m a c 層協(xié)議則意味著必須對網(wǎng)絡(luò)芯片重新進(jìn)行i c 設(shè)計，從而導(dǎo)致與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)出現(xiàn)兼容 性問題，以太網(wǎng)的一致性和互操作性都將受到挑戰(zhàn)。嚴(yán)格地說這些方法，已經(jīng)不能稱之 為“以太網(wǎng)”了。 增加實時調(diào)度層來獲得以太網(wǎng)的實時確定性方法，同修改以太網(wǎng)m a c 層來獲取確 定性實時調(diào)度的方法相比，是一種更為可取的方案，它是在保留標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口的基礎(chǔ) 上，通過在m a c 層上增加一個實時調(diào)度軟件層，來實現(xiàn)以太網(wǎng)實時性的方法。該方案 基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)i c 芯片，僅通過修改既有的軟件協(xié)議來達(dá)成目的。這種方法既可滿 足工業(yè)通信的實時性要求，又可保證以太網(wǎng)的兼容性。這方面的例子主要有t d m a 策 略，虛擬時間協(xié)議v t c s m a ，窗口協(xié)議( w i n d o w s p r o t o c o l s ) 和通信平滑( t r a f f i cs m o o t h i n g ) 等。 工業(yè)以太網(wǎng)實時調(diào)度技術(shù)的研究與實現(xiàn) t d i d a ( t i m ed e v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 策略原理是，每一個節(jié)點都預(yù)先分配一個固定 的時問片來發(fā)送數(shù)據(jù)，因此可以獲得一個可預(yù)測的時間行為【協(xié)1 9 1 。但它的缺點就是不能 反映每個節(jié)點的實際帶寬需求，效率不高。基于此，r a j e n d r a y 等人提出了 p c s m a ( p r e d i c t a b l ec s m a ) 1 2 0 1 ，他假定所有的實時信息都是周期性的，是一種離線的靜 態(tài)調(diào)度。f o u n d a 在t d m a 的基礎(chǔ)上，給出了具有信息優(yōu)先級的p c s m a t 2 ”，它把時 間分為n 個時間片，節(jié)點只能在相應(yīng)的時間片內(nèi)發(fā)送具有最高優(yōu)先級的數(shù)，因此保證了 不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)不會沖突，介質(zhì)訪問控制的公平性得到了提高。 m o l l em 和k l e i n r o c k 提出的虛擬時間協(xié)議v s c s m a 可以動態(tài)的避免沖突，當(dāng)介質(zhì) 空閑時，節(jié)點不是立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而是延遲一個預(yù)定的時間后在發(fā)送，延遲時問是某個 參數(shù)的函數(shù)值，例如截至期、松弛期和優(yōu)先級等。它極大的提高了通信速率，但缺點是 節(jié)點以| 發(fā)送信息的狀態(tài)無法記錄。z h a o w 和r a m a m r i t h a m k 給出了一種基于優(yōu)先 級的v t c s m a ，它根據(jù)不同的延遲時間分成不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級越高的信息延遲時 間越短【2 2 2 捫。 窗e 1 協(xié)議( w i n d o w b a s e dp r o t o c 0 1 ) 通過在全網(wǎng)采用完全致的放大，縮小和移動窗 口等行為來有效的限制同時發(fā)送信息的個數(shù)，進(jìn)而避免，減少或者解決沖突。傳統(tǒng)的窗 口協(xié)議是不考慮存在時限信息的，z h a o w 等提出了一種考慮時限信息的方法，它基于 l s ( 1 a t e s tt i m et os e n dam e s s a g e ) ，即最近到達(dá)的信息被發(fā)送的可能性最大【矧。 通信平滑( t r a f f i cs m o o t h i n g ) 是在t c p ( u d p ) t i p 層與m a c 層之問增加通信濾波器， 減少實時信息和非實時信息的沖突，具體又分靜態(tài)平滑和自適應(yīng)平滑兩種。前者通過離 線給每個節(jié)點分配信息發(fā)送的速率，缺點是網(wǎng)絡(luò)利用率不高。后者是通過網(wǎng)絡(luò)符合的在 線監(jiān)測對發(fā)送速率進(jìn)行動態(tài)分配【矧。 1 3 3 各家實時以太網(wǎng)的解決方案 在實際的工程應(yīng)用領(lǐng)域，為了滿足工業(yè)以太網(wǎng)在引用中實時性能的需要，各大公司 和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實時性的技術(shù)解決方案。這些方案建立在i e e e 8 0 2 3 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過對其和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的實時擴(kuò)展提高實時性，并且做到與標(biāo)準(zhǔn)以 太網(wǎng)的無縫連接，這就是實時以太網(wǎng)( r e a l t i m e e t h e r n e t ，簡稱r t e ) 。 為了規(guī)范這部分工作的行為，2 0 0 3 年5 月，i e c 搐c 6 5 c 專門成立了w g l l 實時以 太網(wǎng)工作組，負(fù)責(zé)制定i e c6 1 7 8 4 - 2 “基于i s o i e c8 8 0 2 3 的實時應(yīng)用系統(tǒng)中工業(yè)通信 網(wǎng)絡(luò)行規(guī)”國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)包括c o m m u n i c a t i o np r o f i l ef a m i l y2e t h e m e t i p 、c p f 3 p r o f i n e t 、c p f 4p - n e t 、c p f 6i n t e r b u s 、c p f l 0v n e t ，i p 、c p f l lt c n e t 、c p f l 2 e t h e r c a t 、c p f l 3 e t h e m e tp o w e r l i n k 、c p f l 4e p a ( 中國) 、c p f l 5m o d b u s f r c p 以及c p f l 6 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 s e r c o s 等1 1 種實時以太網(wǎng)行規(guī)集。其中，包括我國e p a 實時以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的6 個新增 實時以太網(wǎng)將以i e cp a s ( p u b l i c l ya v a i l a b l es p e c i f i c a t i o n ) 公共可用規(guī)范予以發(fā)表。在上 述實時以太網(wǎng)技術(shù)中，將有e p a 、e t h e r c a t 、e t h e m e t p o w e r l i n k 、p r 0 n n e t 、m o d b u s i d a 和e t h e m e t i p 等6 個主要的競爭者。 ( 1 ) p r o f i n e t 實時以太網(wǎng) p r o f i n e t 實時以太網(wǎng)是由p r o f i b u si n t e r n a t i o n a l ( p i ) 組織提出的基于以太網(wǎng)的自動化 標(biāo)準(zhǔn)。從2 0 0 4 年4 月開始，p i 與i n t e r b u sc l u b 總線俱樂部聯(lián)手，負(fù)責(zé)合作開發(fā)與制定 標(biāo)準(zhǔn)。p r o f i n e t 構(gòu)成從i o 級直至協(xié)調(diào)管理級的基于組件的分布式自動化系統(tǒng)的體系結(jié) 構(gòu)方案，p r o f i b u s 技術(shù)和i n t e r b u s 現(xiàn)場總線技術(shù)可以在整個系統(tǒng)中無縫地集成。 p r o f i n e t 提出了對i e e e8 0 2 1 d 和i e e e1 5 8 8 進(jìn)行實時擴(kuò)展的技術(shù)方案，并對不同實 時要求的信息采用不同的實時通道技術(shù)。p r o f i n e t 通信協(xié)議模型如圖1 1 所示。從圖中可 以看出，p r o f i n e t 提供一個標(biāo)準(zhǔn)通信通道和兩類實時通信通道。標(biāo)準(zhǔn)通道是使用t c p 口 協(xié)議的非實時通信通道，主要用于設(shè)備參數(shù)化、組態(tài)和讀取診斷數(shù)據(jù)。實時通道r t 是 軟實時s r t ( s o f t w a r e r t ) 方案，主要用于過程數(shù)據(jù)的高性能循環(huán)傳輸、事件控制的信號 與報警信號等。它旁路第3 層和第4 層，提供精確通信能力。為優(yōu)化通信功能，p r o f i n e t 根據(jù)i e e e8 0 2 1 p 定義了報文的優(yōu)先級，最多可用7 級。實時通道i r t 采用了 i r t ( i s o c h r o n o u sr e a l t i m e ) 等時同步實時的a s i c 芯片解決方案，以進(jìn)一步縮短通信棧軟 件的處理時間，特別適用于高性能傳輸、過程數(shù)據(jù)的等時同步傳輸、以及快速的時鐘同 步運動控制，在1 m s 時間周期內(nèi)，實現(xiàn)對1 0 0 多個軸的控制，而抖動不足l m 。 圖l1p r o f i n e t 通信協(xié)議模型 f i g 1 1 c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lm o d e lo fp r o f i n e t 工業(yè)以太網(wǎng)實時調(diào)度技術(shù)的研究與實現(xiàn) ( 2 ) e t h e r n e tp o w e r l i n k 實時以太網(wǎng) 奧地利貝加萊( b & r ) 公司開發(fā)的e t h e m e tp o w e r l i n k ( e p l ) 標(biāo)準(zhǔn)是一種可滿足最苛刻 實時要求( 4 級) 、并已投入實際應(yīng)用的工業(yè)以太網(wǎng)。該公司當(dāng)初開發(fā)e p l 的思路是在標(biāo) 準(zhǔn)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上建立一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)來滿足控制中最苛刻的實時要求，同時克服以上 介紹的傳統(tǒng)解決方案的局限性。 為避免沖突、盡量利用帶寬，e p l 在時間上重新組織了網(wǎng)絡(luò)中站間信息交換機(jī)制， 在c s m a 基礎(chǔ)上引入時間槽管理機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)其中一個站點充當(dāng)管理站管理網(wǎng)絡(luò)通信， 對其他所有站點給定同步節(jié)拍，分別分配各站發(fā)布權(quán)限，各站只能在得到發(fā)布權(quán)限后才 可發(fā)布信息。e p l 采用i e e e l 5 8 8 進(jìn)行時鐘同步。 一個e p l 通信周期可分成4 個階段，如圖1 2 所示。 圖1 2e p l 通信周期 f i g 1 2 e p lc o m m u n i c a t i o nc y c l e ( 1 ) 開始階段：管理員發(fā)布“通信周期開始( s o c ) ”信號，信號以廣播方式發(fā)給所 有站點。此信號發(fā)出后，各站點就此同步。 ( 2 ) 同步階段：這階段中所有站點進(jìn)行同步信息交換，管理站按照一個事先定義的 順序給某站發(fā)一個p r q 幀，要求此站發(fā)布信息。此站得到發(fā)布許可后，以廣播形式發(fā)出 一幀p r s 回應(yīng)信息，所有站點都可收到這幀信息，也包括那些應(yīng)該得到這幀信息的站點。 站點問直接橫向通信方式和c a n 總線很相似。 ( 3 ) 異步階段：這個階段是給無實時要求的信息留下的，管理站發(fā)給某站一個“邀 請”幀，此站便可發(fā)布非同步信息，比如一幀i p 信息。 ( 4 ) 閑置階段：到下一個周期前的等待時間。 e p l 通過兩個機(jī)制來實現(xiàn)通信的無縫集成：實時和非實時( 異步) 信息可同時傳輸； 透明地在異步時間槽發(fā)送和接收i p 協(xié)議信息。通信模型如圖1 3 所示。 e p l 接口函數(shù)a p i 和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)驅(qū)動函數(shù)完全兼容。在應(yīng)用層上，基于i p 的協(xié)議 或軟件都可不加改動就直接使用。在通信實時性不重要時，如程序下載、系統(tǒng)編程診斷 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 或參數(shù)配置過程中。用e p l 的開放模式可使所有站點作為普通以太網(wǎng)站點的模式來使用 ( 非實時模式) 。在這個模式下e p l 站點對普通以太網(wǎng)來說完全透明。 圖1 3e p l 通信協(xié)議模型 f i g 1 3 c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lm o d e lo fe p l ( 3 ) e p a 實時以太網(wǎng) e p a ( e t h e m e t f o r p l a n ta u t o m a t i o n ) 用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在國家科 技部“8 6 3 ”計劃的支持下，由浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽自動化所、重慶郵電 學(xué)院、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)等單位聯(lián)合組成的以浙江中控技術(shù)股份有限公司總裁金 建祥教授為組長的標(biāo)準(zhǔn)起草工作組起草。關(guān)于e p a 的具體情況將在第二章中詳細(xì)描述。 1 4 課題主要內(nèi)容與本文結(jié)構(gòu) 本課題的主要內(nèi)容是在深入理解了e p a 實時性調(diào)度解決方案后，在現(xiàn)有的軟硬件 平臺之上，采用i e e e l 5 8 8 精確時鐘同步協(xié)議實現(xiàn)了設(shè)備問的精確時鐘同步，通過l i n u x 的q o s 接口實現(xiàn)了鏈路層調(diào)度，并且組建了測試平臺，開發(fā)了上位機(jī)測試軟件和下位機(jī) 測試程序，對e p a 的實時性性能進(jìn)行了測試。 本文的主要內(nèi)容如下： 一9 工業(yè)以太網(wǎng)實時調(diào)度技術(shù)的研究與實現(xiàn) ( 1 ) 第一章序論部分回顧了工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展歷史，介紹了以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的 概念，闡述了以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的技術(shù)障礙，并從當(dāng)今理論研究和工程實際解決 方案兩個角度就實時性問題進(jìn)行了描述。 ( 2 ) 第二章主要介紹了e p a 的通信模型和實時性通信調(diào)度解決方案。 ( 3 ) 第三章介紹e p a 時鐘同步的實現(xiàn)。簡要介紹了實現(xiàn)平臺，研究了i e e e l 5 8 8 精 確時鐘同步協(xié)議的工作原理，深入分析了影響時鐘同步精度的因素，并采取了一系列措 施來提高同步精度，并在l i n u x 系統(tǒng)中進(jìn)行了具體實現(xiàn)。 ( 4 ) 第四章介紹了l i n u x 內(nèi)核中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，包括主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、鏈路層數(shù)據(jù)收 發(fā)和q o s 接口，并通過其q o s 接口實現(xiàn)了e p a 的鏈路層調(diào)度策略。 ( 5 ) 第五章是實時性測試，介紹了實時性測試平臺和上、下位機(jī)測試軟件的設(shè)計， 并在測試平臺上對時鐘同步精度、遞交時間和調(diào)度進(jìn)行了測試。 最后是全文的總結(jié)。 1 5 小結(jié) 本章首先回顧了工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史，介紹了以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的概念，并 闡述了以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的主要技術(shù)障礙，其中著重介紹了實時性問題，從理論 角度介紹了當(dāng)前國際上實時性問題的研究現(xiàn)狀，然后從工程應(yīng)用角度介紹了當(dāng)前世界上 主要的廠商的實時以太網(wǎng)解決方案。最后是本文的課題內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。 人連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2e p a 實時以太網(wǎng) 2 1 e p a 簡介 e p a ( e t h e r n c t f o r p l a n t a u t o m a t i o n ) 是在國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員、全國工業(yè)過程測量與 控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會的支持下，由浙江大學(xué)、浙江中控技術(shù)有限公司、中國科學(xué)院沈 陽自動化研究所、大連理工大學(xué)、重慶郵電學(xué)院、清華大學(xué)、上海工業(yè)自動化儀表研究 所、機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所、北京華控技術(shù)有限責(zé)任公司等單位聯(lián)合成 立的標(biāo)準(zhǔn)起草工作組，經(jīng)過3 年多的技術(shù)攻關(guān)而提出的基于工業(yè)以太網(wǎng)的實時通信控制 系統(tǒng)解決方案。 e p a 實時以太網(wǎng)技術(shù)的攻關(guān)，以國家“8 6 3 ”計劃c i m s 主題系列課題“基于高速 以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備”、“現(xiàn)場級無線以太網(wǎng)協(xié)議研究及設(shè)備開發(fā)”、“基 于藍(lán)牙技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備”、“監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵技術(shù)研究”，以及“基于e p a 的 分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究和開發(fā)”、“基于e p a 的產(chǎn)品開發(fā)仿真系統(tǒng)”等滾動課題為 依托，先后解決了以太網(wǎng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的確定性和實時性、網(wǎng)絡(luò)供電、互可 操作、網(wǎng)絡(luò)安全、可靠性與抗干擾等關(guān)鍵性技術(shù)難題，開發(fā)了基于e p a 的分布式網(wǎng)絡(luò) 控制系統(tǒng)，首先在化工、制藥等生產(chǎn)裝置上獲得成功應(yīng)用。 在此基礎(chǔ)上，標(biāo)準(zhǔn)起草工作組起草了我國第一個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線國家 標(biāo)準(zhǔn)用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的e p a 通信標(biāo)準(zhǔn)。 2 2e p a 的通信模型 e p a 網(wǎng)絡(luò)通信模型參照i s o o s i 參考模型，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳 輸層、應(yīng)用層，并在應(yīng)用層之上增加用戶層( 采用i e c6 1 4 9 9 6 1 8 0 4 標(biāo)準(zhǔn)) ，在網(wǎng)絡(luò)層和 傳輸層之間增加e p a 實時通信調(diào)度接口，通信模型如圖2 1 所示1 2 7 1 。 ( 1 ) 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層 為e p a 提供數(shù)據(jù)傳輸物理道，并描述了多個設(shè)備共享通信信道的一種機(jī)制。在e p a 中采用了i e e e8 0 2 系列范圍，即i e e e 8 0 2 3 、i e e e 8 0 2 1 1 和i e e e8 0 2 1 5 ，但在傳輸介 質(zhì)與物理接口上增加適用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的應(yīng)用導(dǎo)則。 ( 2 ) e p a 實時通信管理接口 e p a 通信調(diào)度接口定義了網(wǎng)絡(luò)層( 口層) 與數(shù)據(jù)鏈路層( m a c 層) 之間的接口，用于 控制由網(wǎng)絡(luò)層到m a c 層的實時數(shù)據(jù)包與非實時數(shù)據(jù)包的傳輸調(diào)度，以滿足e p a 通信過 程的實時性。 ( 3 ) 網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層 工業(yè)以太網(wǎng)實時調(diào)度技術(shù)的研究與實現(xiàn) e p a 的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層為e p a 應(yīng)用層提供報文傳輸?shù)钠脚_，采用t c p ( u d p ) i p 協(xié) 議集，其中u d p 協(xié)議不需要在通信兩端建立連接和確認(rèn)，用于實時通信：對于實時性 要求不高、對傳輸?shù)目煽啃砸蟾叩膽?yīng)用，可使用t c p 協(xié)議，也可使用u d p 協(xié)議。 ( 4 ) 應(yīng)用層 e p a 應(yīng)用層為e p a 設(shè)備之間周期和非周期的傳輸數(shù)據(jù)提供通信通道和服務(wù)接口。 它由e p a 實時通信規(guī)范和通用通信協(xié)議兩部分組成。其中e p a 實時通信規(guī)范是專門為 e p a 實時控制應(yīng)用進(jìn)程之問的數(shù)據(jù)傳輸提供通信通道和服務(wù)接口。而通用通信協(xié)議則主 要包括h m 、f t p 、珊等互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的協(xié)議。 ( 5 ) 用戶層 用戶層直接面向用戶，用戶根據(jù)自己的控制邏輯需要，利用組態(tài)軟件組態(tài)不同功能 塊應(yīng)用進(jìn)程以完成各種控制策略，也可根據(jù)自己的需要組態(tài)各種非實時性應(yīng)用程序的服 務(wù)。e p a 用戶層采用基于i e c6 1 4 9 9 定義的功能模塊結(jié)構(gòu)模型和i e c6 1 8 0 4 定義的功能 模塊元素。 圖2 1e p a 通信協(xié)議模型 f i g 2 1 e p ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lm o d e l 大連理工大學(xué)碩七學(xué)位論文 e p a 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要組成除了 t c p ( u d p ) i p 、s n m p 、s n t p 、d h c p 、 部分： i s o i e c8 8 0 2 3 砸e e8 0 2 1 1 i e e e8 0 2 1 5 、 h i t p 、f t p 等協(xié)議組件外，它包括以下幾個 ( 1 ) 應(yīng)用進(jìn)程，包括e p a 功能塊應(yīng)用進(jìn)程與非實時應(yīng)用進(jìn)程 ( 2 ) e p a 系統(tǒng)管理實體 ( 3 ) e p a 應(yīng)用訪問實體 ( 4 ) e p a 管理信息庫 2 3 e p a 的通信調(diào)度 基于e p a 的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，分為現(xiàn)場設(shè)備層和過程監(jiān)控層兩個層次，對這 兩層分別采用了不同的通信調(diào)度方式。對于現(xiàn)場設(shè)備層，采取的是一種確定性的實時通 信調(diào)度；對于過程監(jiān)控層則采用c s m a 0 d 這種非確定性通信調(diào)度。 2 3 1 e p a 實時通信和非實時通信 為了實現(xiàn)既能在現(xiàn)場設(shè)備之間的實時通信，又能向上與企業(yè)信息網(wǎng)兼容，在e p a 系統(tǒng)中，將通信分為實時e p a 通信和非實時通信。其中實時e p a 通信的信息又可分為 周期數(shù)據(jù)和非周期數(shù)據(jù)兩大類。周期數(shù)據(jù)主要指與過程有關(guān)的數(shù)據(jù)，如需要按控制回路 的控制周期傳輸?shù)臏y量值、控制值，或功能塊輸入、輸出之間需要按周期更新的數(shù)據(jù)。 周期報文的發(fā)送優(yōu)先級為最高。非周期數(shù)據(jù)主要指用于以非周期方式在兩個通信伙伴間 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如程序的上下載數(shù)掘、變量讀寫數(shù)據(jù)、事件通知、趨勢報告等數(shù)掘，以及 諸如a r p 、r a r p 、m i p 、f t p 、1 f r p 、l c m p 、i g m p 等應(yīng)用數(shù)據(jù)。 根據(jù)以太網(wǎng)( i e e e8 0 2 3 ) 協(xié)議規(guī)定，對于幀格式中的長度類型( l e n g t h 廠r y p e ) 字 段，當(dāng)該字段的值小于等于1 5 3 6 ( 0 x 0 6 0 0 ) 時表示數(shù)據(jù)長度，當(dāng)該字段的值大于1 5 3 6 ( 0 x 0 6 0 0 ) 時，則表示以太網(wǎng)上的協(xié)議，如0 x 0 8 0 0 表示i p 協(xié)議，0 x 0 8 0 6 表示a r p 協(xié)議，0 x 8 0 3 5 表示r a r p 協(xié)議，0 x8 1 3 7 表示l p x 協(xié)議等。在e p a 系統(tǒng)中，同樣采用該字段，定義一 個值表示e p a 實時協(xié)議( 如0 x 8 8 8 8 ，或6 5 c 3 0 6 3 1 4 提案中定義的0 x 8 8 4 2 ) 。利用該字 段的值，在e p a 實時通信調(diào)度接口中，對實時e p a 通信與非實時通信進(jìn)行調(diào)度，使實 時e p a 通信優(yōu)先于非實時通信，從而保證e p a 通信的實時性。 2 3 2 現(xiàn)場設(shè)備間的確定性通信調(diào)度 ( 1 ) 鏈路層模型 為了在現(xiàn)場設(shè)備間實現(xiàn)實時通信調(diào)度，e p a 對i s o m c8 8 0 2 3 協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路 層進(jìn)行了擴(kuò)展，