基本介紹
- 中文名：工廠自動化乙太網
- 外文名：Ethernet for Plant Automation
- 別名：EPA
- 類型：術語
- 所屬學科：計算機
簡介,應運而生,技術特點,發展歷程,
簡介
其是一種全新的適用於工業現場設備的開放性實時乙太網標準，將大量成熟的IT技術套用於工業控制系統，利用高效、穩定、標準的乙太網和UDP/IP協定的確定性通信調度策略，為適用於現場設備的實時工作建立了一種全新的標準。這一項目得到了中國政府“863”高科技研究與發展計畫的支持。在國家標準化管理委員、全國工業過程測量與控制標準化技術委員會的支持下，由浙江大學、浙江中控技術有限公司、中國科學院瀋陽自動化研究所、重慶郵電大學、清華大學、大連理工大學、上海工業自動化儀表研究院、機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所、北京華控技術有限責任公司等單位聯合成立的標準起草工作組，經過3年多的技術攻關，而提出的基於工業乙太網的實時通信控制系統解決方案。
EPA實時乙太網技術的攻關，以國家“863”計畫CIMS主題系列課題“基於高速乙太網技術的現場匯流排控制設備”、“現場級無線乙太網協定研究及設備開發”、“基於'藍牙'技術的工業現場設備、監控網路其及關鍵技術研究”，以及“基於EPA的分散式網路控制系統研究和開發”、“基於EPA的產品開發仿真系統”等滾動課題為依託，先後解決了乙太網用於工業現場設備間通信的確定性和實時性、網路供電、互可操作、網路安全、可靠性與抗干擾等關鍵性技術難題，開發了基於EPA的分散式網路控制系統，首先在化工、製藥等生產裝置上獲得成功套用。
在此基礎上，標準起草工作組起草了我國第一個擁有自主智慧財產權的現場匯流排國家標準《用於工業測量與控制系統的EPA系統結構與通信規範》。同時，該標準被列入現場匯流排國際標準IEC 61158（第四版）中的第十四類型，並列為與IEC 61158相配套的實時乙太網套用行規國際標準IEC 61784-2中的第十四套用行規簇（Common Profile Family 14,CPF14），標誌著中國第一個擁有自主智慧財產權的現場匯流排國際標準―――EPA得到國際電工委員會的正式承認，並全面進入現場匯流排國際標準化體系。
應運而生
當前，隨著計算機、通信、網路等信息技術的發展，信息交換的領域已經覆蓋了工廠、企業乃至世界各地的市場，而隨著自動化控制技術的進一步發展，需要建立包含從工業現場設備層到控制層、管理層等各個層次的綜合自動化網路平台，建立以工業網路技術為基礎的企業信息化系統。當前，在企業的不同網路層次間傳送的數據信息已變得越來越複雜，對工業網路的開放性、互連性、頻寬等方面提出了更高的要求。
EPA即是建立在此基礎上的工業現場設備開放網路平台，通過該平台，不僅可以使工業現場設備（如現場控制器、變送器、執行機構等）實現基於乙太網的通信，而且可以使工業現場設備層網路不游離於主流通信技術之外，並與主流通信技術同步發展，同時，用乙太網現場設備層到控制層、管理層等所有層次網路的“E網到底”，實現工業企業綜合自動化系統各層次的信息無縫集成，推動工業企業的技術改造和提升、加快信息化改造進程。
技術特點
1、確定性通信
乙太網由於採用CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/衝突檢測）介質訪問控制機制，因此具有通信“不確定性”的特點，並成為其套用於工業數據通信網路的主要障礙。
雖然乙太網交換技術、全雙工通信技術以及IEEE802.1p&q規定的優先權技術在一定程度上避免了碰撞，但也存在著一定的局限性：
（1）乙太網交換機的存儲轉發機制同樣使通信延遲具有不確定性。通信延遲的不確定性主要來自於其排隊延遲。無論採用哪種存儲轉發機制，當同時來自於多個連線埠的報文需要向同一個連線埠轉發時，交換機就必須將這些報文進行排隊緩衝，並依次轉發。因此，交換機的緩衝池大小將直接影響了來自於某一連線埠的報文能否以及何時被成功轉發。
（2）乙太網交換機存在的“廣播風爆”問題。工業數據通信網路中廣泛採用廣播方式傳送的實時數據報文，同樣會產生碰撞。
除了通信實時性要求外，工業數據通信網路的通信還具有以下特點：
（1）周期與非周期信息同時存在，正常工作狀態下，周期性信息（如過程測量與控制信息、監控信息等）較多，而非周期信息（如突發事件報警、程式上下載等）較少；
（2）有限的時間回響，一般辦公室自動化計算機局部網回響時間可在幾秒範圍內，而工業控制區域網路的回響時間應在0.01-1秒；
（3）信息流向具有明顯的方向性，通信關係比較確定。正常工作情況下，變送器只需將測量信息傳送到控制器，而控制器則將控制信息傳送給執行機構，來自現場儀表的過程監控與突發時間信息則傳向操作站，操作站一般只需將下載的程式或配置數據傳送給現場儀表等；
（4）根據組態方案，信息的傳送遵循嚴格的時序；
（5）傳輸的信息量少，信息長度比較小，通常僅為幾位或幾個、十幾、幾十個位元組；網路吞吐量小；
（6）網路負荷較為平穩。
EPA系統中，根據通信關係，將控制現場劃分為若干個控制區域，每個區域通過一個EPA網橋互相分隔，將本區域內設備間的通信流量限制在本區域內；不同控制區域間的通信由EPA網橋進行轉發；在一個控制區域內，每個EPA設備按事先組態的分時傳送原則向網路上傳送數據，由此避免了碰撞，保證了EPA設備間通信的確定性和實時性。
2、“E”網到底
EPA是套用於工業現場設備間通信的開放網路技術，採用分段化系統結構和確定性通信調度控制策略，解決了乙太網通信的不確定性問題，使乙太網、無線區域網路、藍牙等廣泛套用於工業企業管理層、過程監控層網路的COTS（Commercial Off-The-Shelf）技術直接套用於變送器、執行機構、遠程I/O、現場控制器等現場設備間的通信。
E網到底
採用EPA網路，可以實現工業企業綜合自動化智慧型工廠系統中從底層的現場設備層到上層的控制層、管理層的通信網路平台基於乙太網技術的統一，即所謂的“E（Ethernet）網到底”。
採用EPA，可實現工業企業智慧型工廠中垂直和水平兩個方向的信息無縫集成：
通過EPA網路通信平台提供的實時數據通信服務，來自不同廠商的現場智慧型設備和應用程式可以實現信息透明互訪和互可操作。
採用EPA網路，可以實現智慧型工廠中從管理層、控制層直至現場設備層等所有網路層基於乙太網的信息無縫集成，用戶可以在世界的任何地方通過其訪問許可權，直接通過常用的工具或軟體（而不是專用軟體）訪問智慧型工廠中的任何一個設備。
利用EPA開放網路平台，可以實現傳統控制系統（如DCS、PLC）與基於EPA的現場匯流排控制系統FCS之間的信息無縫集成，使得工業現場設備中的大量控制和非控制信息能夠無縫地傳遞到製造執行層和企業管理層系統，通過信息集成創新技術、數據綜合利用技術、數據增值挖掘技術等，對工業企業生產全過程實現高效智慧型化管理。
3、互操作性
與傳統的4-20mA標準不同，工業數據通信網路不僅要解決信號的互通和互連，更需要解決信息的互通問題，即信息的互相識別、互相理解和互可操作。
所謂信號的互通，即兩個需要互相通信的設備所採用的通信介質、信號類型、信號大小、信號的輸入/輸出匹配等幾方面的參數符契約一標準，即物理層標準。在此基礎上，採用統一的數據鏈路層協定，不同的設備就能連線在同一網路上實現互連。
如今，幾乎所有的控制系統都採用了乙太網、TCP/IP協定作為其通信網路，實現了設備的互連。但是，如果僅採用乙太網、TCP/IP協定，而沒有統一的高層協定（如套用層協定），不同設備之間還不能相互理解、識別彼此所傳送的信息含義，就不能實現信息互通，也就不可能實現開放系統之間的互可操作。
為此，《EPA標準》除了解決實時通信問題外，還為用戶層應用程式定義了套用層服務與協定規範，包括系統管理服務、域上/下載服務、變數訪問服務、事件管理服務等。至於ISO/OSI通信模型中的會話層、表示層等中間層次，為降低設備的通信處理負荷，可以省略，而在套用層直接定義與TCP/IP協定的接口。
為支持來自不同廠商的EPA設備之間的互可操作，《EPA標準》採用XML（eXtensible Markup Language）擴展標記語言為EPA設備描述語言，規定了設備資源、功能塊及其參數接口的描述方法。用戶可採用Microsoft 提供的通用DOM技術對EPA設備描述檔案進行解釋，而無需專用的設備描述檔案編譯和解釋工具。
4、開放性
《EPA標準》完全兼容IEEE802.3、IEEE802.1P&Q、IEEE802.1D、IEEE802.11、IEEE802.15以及UDP（TCP）/IP等協定，採用UDP協定傳輸EPA協定報文，以減少協定處理時間，提高報文傳輸的實時性。
為確保EPA系統運行的可靠性，《EPA標準》中還針對工業現場套用環境，增加了媒體接口選擇規範與線纜安裝導則。
商用通信線纜（如五類雙絞線、同軸線纜、光纖等）均可套用於EPA系統中，但必須滿足工業現場套用環境的可靠性要求，如使用禁止雙絞線代替非禁止雙絞線。
EPA網路支持其他乙太網/無線區域網路/藍牙上的其他協定（如FTP、HTTP、SOAP，以及MODBUS、ProfiNet、Ethernet/IP協定）報文的並行傳輸。這樣，IT領域的一切適用技術、資源和優勢均可以在EPA系統中得以繼承。
5、分層的安全策略
對於採用乙太網等技術所帶來的網路安全問題，《EPA標準》規定了從企業信息管理層、過程監控層和現場設備層三個層次，採用分層化的網路安全管理措施。
EPA現場設備採用特定的網路安全管理功能塊，對其接收到的任何報文進行訪問許可權、訪問密碼等的檢測，使只有合法的報文才能得到處理，其他非法報文將直接予以丟棄，避免了非法報文的干擾。
在過程監控層，採用EPA網路對不同微網段進行邏輯隔離，以防止非法報文流量干擾EPA網路的正常通信，占用網路頻寬資源。
對於來自於網際網路上的遠程訪問，則採用EPA代理伺服器以及各種可用的信息網路安全管理措施，以防止遠程非法訪問。
6、冗餘
EPA支持網路冗餘、鏈路冗餘和設備冗餘，並規定了相應的故障檢測和故障恢復措施，如設備冗餘信息的發布、冗餘狀態的管理、備份的自動切換等。
發展歷程
2005年 12月EPA被正式列入現場匯流排國際標準IEC 61158（第四版）中的第十四類型，並列為與IEC 61158相配套的實時乙太網套用行規國際標準IEC 61784-2中的第十四套用行規簇（Common Profile Family 14，CPF14）。
2005年 02月我國自主研發的實時乙太網EPA通信協定Real time Ethernet EPA (Ethernet for Plant Automation) 順利通過IEC各國家委員會的投票，正式成為IEC/PAS 62409檔案。
2005年 01月 “2004年度工控及自動化領域十大新聞”評選結果揭曉，“EPA為IEC收錄，作為PAS國際標準予以發布”榮膺十大新聞之列。
2004年 11月“EPA基於高速乙太網技術的現場匯流排控制設備”榮獲第六屆上海國際工業博覽會創新獎。
2004年 10月EPA實時乙太網在第六屆中國國際高新技術成果交易會上廣受關注。
2004年 09月浙大中控EPA實時乙太網震撼MICONEX2004――第十五屆多國儀器儀表展覽會MICONEX2004。
2004年 05月浙江大學、浙大中控主持制定的《EPA標準》（徵求意見稿）通過國家標委會的審核。
2003年 04月在EPA標準的基礎上，課題組開發了基於EPA的分散式網路控制系統原型驗證系統，並在杭州龍山化工廠的聯鹼碳化裝置上成功試用。
2003年 01月浙江大學、浙大中控主持制定的《用於工業測量與控制系統的EPA系統結構與通信標準》通過專家評審。
2003年 01月EPA國家標準起草工作組成立。
2002年 10月浙大中控“基於乙太網的EPA網路通信技術及其控制系統”項目通過了浙江省科技廳組織的技術鑑定。
