实时以太网标准化新进展
关键词：EPA标准 实时以太网 标准化
20世纪80年代中期产生的现场总 线，将智能现场设备和自动化系统以全数字式、双向传输、多分支结构的通信控制网络连接，使工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展成为可能，使工业控制系统的体系结构和功能结构产生重大变革。
现场总线国际标准IEC61158经过16年的争论和斗争后，放弃了其制定单一现场总线标准的初衷，最终发布了包括8种(第三版修订后增加了两种类型，而成为10种类型)类型总线的国际标准。这说明各大总线各具特点、不可互相替代的局面得到世界工控界的认可。
但另一方面，随着互联网技术的发展，广大工控专家、制造商和用户也逐渐认识到，现场总线之所以没有能实现统一，除了它们的技术特色和背后支持的公司间的利益冲突外，还因为现场总线发展过程中，过多地强调了自动化网络的特殊性，忽视了信息技术的发展成果，致使现场总线技术、产品和应用发展缓慢。
与此同时，垄断了办公自动化领域网络通信的以太网技术，由于具有成本低、稳定性和可靠性高、应用广泛、软硬件资源丰富等诸多优点，无论是大型跨国企业还是中小型自动化企业，都在过程控制领域管理层和控制层等中上层网络通信中采用了以太网。事实证明，这些应用非常成功，更重要的是，通过一些实时通信增强措施，以太网可以满足工业数据通信的实时性要求，并可以直接向下延伸应用于工业现场设备间的通信。
一 为什么要制定实时以太网标准
众所周知，工业数据通信网络与信息网络不同，工业数据通信不仅要解决信号的互通和设备的互连，更需要解决信息的互通问题，即信息的互相识别、互相理解和互可操作。
所谓信号的互通，即两个需要互相通信的设备所采用的通信介质、信号类型、信号大小、信号的输入/输出匹配等几方面参数以及数据链路层协议符合同一标准，不同设备就能连接在同一网络上实现互连。如果仅仅实现设备互连，但没有统一的高层协议(如应用层协议)，不同设备之间还不能相互理解、识别彼此所传送的信息含义，就不能实现信息互通，也就不可能实现开放系统之间的互可操作。互可操作性是指连接到同一网络上不同厂家的设备之间通过统一应用层协议进行通信与互用，性能类似的设备可以实现互换，它是工业数据通信网络区别于一般IT网络的重要特点。
对应于ISO/OSI开放系统互连模型，ISO/IEC8802-3只规定了以太网的物理层、数据链路层规范，而TCP/IP协议作为基于以太网“事实上”的标准，也只规定了网络层与传输层规范，其中网络层规定了基于IP的网络连接、维持和解除，即规定了基于IP的路由选择；而TCP协议(包括UDP)则规定了开放系统之间的数据传送控制、收放确认、差错控制等。显然，仅仅采用以太网+TCP/IP协议是无法解决开放系统之间的信息互通问题。要解决基于以太网的工业现场设备之间的互可操作性问题，必须在以太网、TCP(UDP)/IP协议的基础上，制订统一并适用于工业现场控制的应用层服务和协议。至于ISO/OSI通信模型中的会话层、表示层等中间层次，为降低设备的通信处理负荷，可以省略，而在应用层直接定义与TCP/IP协议的接口。
二 实时以太网国际标准化
1. 范围
2003年5月，IEC发起一个针对实时以太网应用行规的新工作项目65C/306/NP“测量和控制数字数据通信——实时应用中基于ISO/IEC8802-3的通信网络行规”(以下简称实时以太网应用行规标准)，其内容是：
规定实时以太网(RTE)的分类框架，即对实时以太网需求进行分类；
基于ISO/IEC 8802-3、IEC 61784-1(基于IEC61158的应用行规)及其最新版本，定义相关的网络部件应用行规；与引用这些现存标准相关的其他方面。
该项目的成立得到了几乎所有投票国家的同意，因为它反映了当前工业控制网络以及实时以太网的发展需求和趋势。
但在专家组对该提案进行讨论时，多数专家认为如果将实时以太网应用行规的定义范围仅仅局限在IEC 61784-1(或IEC61158)规定的10种类型现场总线应用行规，不能反映市场上对实时以太网的真正需求，也违背了开放的实时以太网应用事实，另外，专家们认为，仅有ISO/IEC8802-3协议规定的物理层和数据链路层，而没有定义应用层服务和协议规范，标准所规定的实时应用行规既不能满足实时要求，更不能保证不同厂商设备之间的互可操作。
会议经过反复、认真讨论，最终同意考虑IEC 61784-1所规定的应用行规之外的实时以太网提案。之后，由相关专家将几种实时以太网提案分别做了详细的技术报告，专家组也对这些提案做了认真的审查和讨论，认为这些实时以太网提案各自具有一定的技术特色，并在一些领域得到了成功应用，具有一定市场，应该被考虑列入实时以太网应用行规国际标准。
会后由专家组召集人将专家意见与IEC/SC65C主席、秘书长、技术协调人等进行交换后认为，这些实时以太网提案均具有一定代表性，反映了当前实时以太网的应用成果，考虑到2002年曾作出“2007年前不再在IEC61158中增加新的类型”的决定，IEC认为这些新的实时以太网技术可以作为PAS(Publicly Available Specification)规范予以发布，并在将要制定的实时以太网应用行规国际标准IEC 61784-2中正式加以引用，其中，中国的EPA实时以太网技术被列为其中的第14子集(Common Profile Family 14, CPF14)。
2. 实时以太网应用行规
IEC61784-2“测量与控制数字数据通信—实时应用中的基于ISO/IEC8802-3的通信网络附加行规”(以下简称实时以太网应用行规国际标准)的制定原则是，为满足工业自动化市场需求，通过定义以下内容，为用户应用时的实时以太网类型选型提供参考：(1) 实时以太网需求的分类框架；(2) 基于ISO/IEC 8802-3、IEC61784-1(或IEC61158)、新的实时以太网PAS应用行规和相关网络组件应用行规；(3) 与现有标准相关的引用参考。
同时规定，实时以太网RTE(Real-time Ethernet)不应改变ISO/IEC8802-3通信网络、相关网络组件或IEC1588的总体行为，但可在一定程度上进行修改，使之满足实时行为：(1) 实时性，即确定性通信；(2) 现场设备之间的时间同步行为；(3) 充分、频繁的短长度数据交换。
以支持在控制器之间甚至在现场设备与控制器之间的工业通信采用以太网技术，支持现场区域的直接互联网访问能力，并支持基于ISO/IEC的应用与RTE在同一网络上并行运行。
实时以太网分类框架
所谓实时以太网分类，就是从最终用户和制造商对实时以太网需求出发，定义一些相关的性能指标，以反映实时以太网通信网络的能力。
这些性能指标包括：交付时间(Delivery time)，端节点数(Number of end nodes)，基本网络拓朴(Basic network topology)，端节点间交换机的数量(Number of switches between end nodes)，RTE吞吐量(Throughput RTE)，非RTE吞吐量(Throughput non-RTE)，时间同步精确度(Time synchronization accuracy)，冗余恢复时间(Redundancy recovery time)等等。
一种实时以太网RTE类型的行为能力可通过以上几种(不一定是全部)相关联的性能指标组合来反映。
一致性测试应用行规
一致性测试应用行规是为证实一个CP(Common Profile)行为性能指标是否满足所规定的行为，针对实时以太网类型与RTE设备、网络组件的性能测试而规定的应用行规。
一致性测试应用行规仅规定实时以太网类型性能测试应遵循的一般方法与要求，但不规定具体的测试方法。
一致性测试应用行规规定的内容包括测试条件、测试方案，测试报告等几方面内容。
实时以太网应用行规
IEC61784-2还将针对IEC61784-1或IEC61158、新的实时以太网PAS编写应用行规。其中，允许每一种CPF(Common Profile Family)细分为若干不同的CP，并列写出每一种CP的相关性能指标。
这样，用户就可能根据其应用需求，根据IEC61784-2选择其相应的实时以太网类型，其需求越高，可供选择的RTE类型就越少，如图所示。
三 EPA实时以太网标准化
在国家科技部“863”计划的支持下，浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、大连理工大学、清华大学等单位联合成立了标准起草工作小组，经过两年多的技术攻关，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通信标准》(以下简称《EPA标准》)。
《EPA标准》的起草思路是，通过增加一些必要的改进措施，改善以太网的通信实时性，在以太网、TCP/IP协议之上定义工业控制应用层服务和协议规范，将在IT领域应用较为广泛的以太网(包括无线局域网、蓝牙)以及TCP/IP协议应用于工业控制网络，实现工业企业综合自动化系统中由信息管理层、过程监控层直至现场设备层的无缝信息集成。
《EPA标准》的主要内容是解决基于以太网的确定性通信调度规范、定义基于以太网和TCP/IP协议的应用层服务和协议规范、基于XML的电子设备描述等内容，为用户应用进程之间无障碍的数据和信息交换提供统一的平台。
《EPA标准》的特点如下：
兼容性
EPA控制系统兼容IEEE802.3、IEEE802.1P&Q、IEEE802.1D、IEEE802.11、IEEE802.15以及UDP(TCP)/IP等协议。
微网段化系统结构
EPA控制系统中，控制网络划分为若干个控制区域，每个控制区域即为一个微网段。每个微网段通过EPA网桥与其他网段进行分隔，该微网段内EPA设备间的通信被限制在本控制区域内进行，而不会占用其他网段的带宽资源。
处于不同微网段内EPA设备间的通信，需由相应EPA网桥进行转发控制。
确定性通信
本标准在数据链路层与网络层之间定义了一个确定性通信调度管理接口，用于处理EPA设备的报文发送调度。通过该通信调度管理接口，EPA设备按组态后的顺序，采用分时发送方式向网络上发送报文，以避免报文冲突，并确保通信的确定性。
支持EPA报文与通用网络报文并行传输
在不影响实时性的前提下，支持EPA报文与通用网络报文并行传输。
分层的安全策略
对基于EPA的分布式现场网络控制系统，从企业信息管理层、过程监控层和现场设备层3个层次，采用不同的安全技术，如防火墙技术、网络隔离、硬件加锁等安全措施。
网络供电
基于IEEE802.3af标准，本标准规定了基于以太网的网络供电方法。
基于XML的EPA设备描述
本标准采用XML结构化文本语言，规定了EPA设备资源的描述方法，以实现不同EPA设备的互可操作。
标准起草工作组一方面进行联合技术攻关，另一方面结合产品开发、工程应用实践，同时参考了国内外工业以太网最新发展成果，起草完成了《EPA标准》草案；在经过几次专家技术评审后，形成了标准征求意见稿。 2004年5月，《EPA标准》征求意见稿已通过了全国工业测量与控制标准化技术委员会TC124/SC4(工业数据通信)的审查，委员会高度评价了标准起草的工作，一致同意在征求意见稿的基础上，形成送审稿。
2004年8月18～20日，《EPA标准》送审稿通过了由全国工业测量与控制标准化技术委员会组织的专家技术审查。标准起草工作组根据本次技术审查意见，进行修改，将于近日向标委会正式提交送审稿。
预计，《EPA标准》作为国家标准将在年内正式报批、出版。
四 结束语
《EPA标准》作为我国自主制定、并被国际上认可和接收的第一个现场总线国家标准，是由国内从事工业自动化控制系统以及现场总线、网络通信的研究、开发、应用单位联合开发和编制的，得到了国家科技部和国家标委会的极大重视和支持，也得到了包括北京华控、上海工业自动化仪表研究所等单位的大力支持。
从技术上讲，《EPA标准》已形成了其独特的特点，在产品开发和工程应用上也有了比较好的基础，已开发出了基于EPA的变送器、执行器、现场控制器、数据采集器、远程分散控制站、无纸记录仪等产品，基于EPA的分布式网络控制系统已在化工厂得到成功应用。
一个技术标准的生命力取决于它被接受的程度和推广应用情况。
为此，《EPA标准》起草工作组已开始规划一些技术交流和培训工作，希望通过这些技术交流和培训，一方面希望广大控制系统、仪器仪表开发制造企业、研究院所共同支持、开发和应用EPA技术与产品；另一方面也希望广大工控界专家一起来完善、发展EPA技术。
另一方面，与实时以太网应用行规国际标准IEC61784-2相配套，标准起草工作组已着手EPA标准的认证、测试工作，以便为EPA产品的开发、应用提供一致性的认证、测试平台。
