基于epa的分布式现场网络控制系统

基于epa的分布式现场网络控制系统

1epa控制机制基于epa的管理系统（或epa系统）是基于iec61999和iec61804的分布网络的系统。基于epa通信网络，结合工业自动化生产的物理环境，连接现场分散的设备、小型系统和监控设备。所有设备都将一起工作，以完成工业过程和操作中的数据采集和自动控制。基于EPA的分布式现场网络控制系统可以用于制造和过程控制环境,但目前还不支持有本质安全要求的应用场合。EPA系统结构提供了一个系统框架,用来描述由基于以太网、无线局域网、蓝牙等网络连接在一起的物理设备。在EPA系统中,有3种子网:基于以太网(IEEE802.3)、无线局域网(IEEE802.11)和蓝牙(IEEE802.15)的子网。EPA系统中的网段可以是相同类型的子网或者是两种或三种的结合,EPA支持下以下拓朴结构:①1个或多个基于以太网的EPA子网,兼容IEEE802.3协议;②1个或多个基于无线局域网的EPA子网,兼容IEEE802.11协议;③1个或多个基于蓝牙技术的EPA子网,兼容IEEE802.15协议;④?基于以太网和无线局域网的以上2种或3种种子网组成的混合网段。每个物理设备通过提供1个或多个应用进程,来执行整个系统的一部分工作,应用进程之间的通信通过EPA通信实体实现。2算例2:将epa直接确定为网桥从网络层次上看,EPA控制系统网络分为两层,即过程监控层网段L2和现场设备层网段L1,其中L1网段指现场设备层网段,用于工业生产现场的各种设备(如变送器、执行机构、分析仪器等)之间以及现场设备与L2网段的连接,而L2网段则主要用于控制室仪表之间的连接(见图1)。L1网段和L2网段仅仅是指它们在系统中所处的层次关系的不同而划分的,它们本质上都遵循同样的EPA通信协议,但对于处于现场设备层的L1网段在物理接口和线缆特性上必须满足工业现场应用的要求。在现场设备层L1网段,依据EPA现场设备间的通信耦合关系和物理安装位置,可分为若干个子网段或控制区域。每个子网段内具有若干个EPA现场设备(如符合EPA协议的变送器、执行器、现场控制器、数据采集器、PLC等),它们通过以太网交换机连接起来,相互之间可直接采用EPA通信协议进行通信。每个子网段通过EPA网桥与其他子网段和L2网段在逻辑上进行隔离。EPA网桥不同于一般的以太网交换机或无线访问点,它是针对工业过程测量控制系统而定义的一个特殊设备,但本质上它是一个网桥设备。一般它具有2个接口,其中1个接口通过交换机(或无线访问点)连接本子网段的其他EPA设备,另一个接口用于连接L2网段。通过组态,EPA网桥只转发满足特殊要求的EPA报文,而不转发其他报文。3组态信息上传EPA网络包括2个层次,即过程监控层和现场设备层网络。在EPA网络中需要传输的信息包括以下4个:①?基本设备信息变送器、执行机构等基本设备信息,它是由基本设备在上电时通过UDP传送给现场控制器的(再由现场控制器传送到主干网上的组态工作站),数据传送的特点是非实时、非周期性的、并且是可靠的。②?向基本设备转发下载的设备组态信息即系统组态工作站(工程师站)将用户组态好了的信息首先下载到现场控制器(通过过程监控层网络或主干网),现场控制器再根据具体情况,将相关组态信息(如变送器数据发送的目的节点IP地址、执行机构接收的控制数据源节点IP地址等)下载到具体设备中。这些信息传送的特点也是非实时、非周期性的。③?过程测量与控制信息现场控制器向变送器传递的数据采集命令、变送器作为应答向现场控制器传送的过程变量测量数据及其状态(好、坏)、现场控制器向执行机构传送的控制数据以及变送器、执行机构向现场控制器传送的设备状态信息等,这些信息的传送均具有周期性特点,即数据是周期发送的、实时性要求比较高。④?报警事件信息在变送器测量越限、执行机构出现故障时,均需要向网络上的其他设备传送报警信息。这些报警信息再由现场控制器根据具体情况,转发到主干网上的其他设备。这种信息的传输也是非周期的,但实时性要求高,通过具有较高的信息发送优先级。与现场设备层网络上传送的信息类似,过程监控层网络(EPA系统主干网)上的控制室工作站、各区域控制器之间需要传输的信息则包括:①?系统配置信息上载系统上电后,组态工作站向各现场控制器发送系统配置上载命令,各现场控制器将把本控制区域内连接在网络上的现场设备信息、已有的组态信息等传送给组态工作站,并由组态软件进行显示,供用户组态使用。这种信息传送的特点是非实时、非周期性的、并且是可靠的。②?系统组态信息下载用户组态完成后,将需要将组态信息下载到位于各个控制区域内的现场控制器中,现场控制器一方面将这些组态信息进行就地处理,另一方面将与变送器、执行机构等基本设备有关的组态信息通过现场设备网下载到各个设备中。此外,在系统运行过程中,需要对过程控制参数、给定值等参数进行修改,这些修改的信息也需要下载到现场控制器中去。同样,这种组态信息传送的特点是非实时、非周期性的、并且是可靠的。③?过程测量与控制信息、设备状态信息的上载系统运行过程中,现场控制器将定时向控制室操作站发送本控制区域内的过程测量与控制数据以及现场设备的状态信息(如执行机构的实际位置信息等),用于操作站的在线监视、记录,趋势图的绘制等。这些信息的传送均具有周期性、实时性高等特点。④?报警事件信息的上载指现场控制器收到变送器、执行机构等发送的报警事件信息后,转发到系统主干网(或过程监控层网络上),另外现场控制器还可以将过程参量的趋势数据也可以作为事件信息予以发布。根据以上特点,在EPA系统中所进行的通信方式可分为以下几种类型:①?客户/服务器型客户/服务器型的通信关系,是指基于TCP/IP或UDP/IP协议,在以太网上的两个设备之间由一个设备向另一个设备发起的、一对一的、可靠的(需要确认的)数据传输服务:即由客户方向服务器方发送一个数据传输请求,服务器方接收到该请求后,将客户方所需的数据作为响应传输给客户方,客户方接收到该响应后,向服务器方发送一个确认消息,通知服务器,响应数据已经收到。如果服务器在一定时间内没有收到客户方发来的确认消息,将重发响应消息,直至收到来自客户方的确认消息;如三次重发均没有收到确认,请自动放弃。同样,客户方在一定时间内没有收到来自服务器方的响应时,将重发请求命令消息,直到收到来自服务器的响应为止,并向服务器发送确认消息;如连续三次发送请求后,均没有收到响应,则认为服务器方设备不在线,自动放弃该次请求,并向系统报错。这种客户/服务器通信关系可建立在TCP(面向联接的数据传输服务),也可以建立在UDP(面向非联接的数据传输服务)协议之一。这种客户/服务器通信关系用于现场设备间、过程监控层网络(主干网)设备间的设备信息的上载/下载,过程监控层网络上操作站向现场控制站发送调整后的控制器参数、给定值的下载以及报警信息的管理(即报警信息接收方通过这种客户/服务器型通信服务,确认报警节点及故障类型)。②?报告分发型报告分发型是指,有事件报告或趋势报告的设备将这些报文通过多播或广播的方式,分发给用户组态时所定义的一组地址(或网络上所有的设备)。发送事件消息的节点将每隔一定时间发布一次,直到收到事件信息的设备(事件接收处理方)作出响应为止,即给事件消息发布方发送确认询问消息,事件发布方收到询问后,向询问方发送确认应答消息,事件接收处理方收到应答后将作出适当的处理。如经过一段时间后,报警事件仍没有解除,将继续发送报警事件消息。报告分发主要用于有报警事件信息或趋势事件发送的设备。对于一个设备来讲,它具有较高的发送优先级。它可以用于某个控制区域内部现场基本设备向现场控制器发送的报警或趋势事件,也可以用于现场控制器收到本区域内的事件信息向主干网(过程监控层网络)设备上的发布。③?发布者/预订者型(生产者/消费者型)发布者/预订者(或生产者/消费者)通信服务是为过程测量与控制信息的发布而实现的一对多的通信。当某一设备有需要发布的数据(主要是过程测量与控制实时数据)时,将主动向网段(指某一控制区域或系统主干网)上的所有设备发布或广播它的消息,而不需要预订方发出请求。发布该数据的设备称为发布方或生产者,而希望收到该消息的设备称为预订接收方或订阅方或消费者。这种通信服务将只发送最新的数据,并且会在一次广播中同时传送到所有数据用户,而不会进行重发(即使预订方没有收到该数据)。接收到该数据的设备将对该信息的发送方IP地址和位号(TAG)进行识别,如果发布方IP地址及位号与本地组态信息表中期望的数据源IP地址和位号(即是预订过的),则进行相应的处理。否则,将不予任何处理。同样,预订方接收到该数据后,不需要向发布方发送确认消息。这种服务方式可以用于控制区域内现场设备间周期性的发送过程测量与控制信息,也可以用于控制区域现场控制器向主干网监控设备发送一组过程测量与控制数据(或可称为较短时间内的过程历史数据)。发布者/预订者方式可以大大提高EPA网络的利用效率。例如,在主干网如果增加实时数据服务器、操作站等设备,现场控制器对于过程测量与控制数据不会重发多次,一次发送,可以多个设备(预订方)同时都能接收,而网络负荷不会增加。4基本网络层和传输层EPA通信模型参照ISO/OSI通信参考模型,取其物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层,并在应用层之上增加用户层(采用IEC61499/61804标准),以网络层和传输层之间增加EPA实时通信管理接口,共构成六层结构的通信模型,如图2所示。①?EPA的物理层与数据链路层,为EPA提供数据传输物理道,并描述了多个设备共享通信信道的一种机制。本标准中采用了IEEE802系列范围,即IEEE802.3、IEEE802.11和IEEE802.15,但在传输介质与物理接口上增加适用于工业生产现场的规范。②?网络层和传输层EPA的网络层和传输层为EPA应用层提供报文传输的平台,本规范采用TCP(UDP)/IP协议集,其中UDP协议不需要在通信两端建立连接和确认,用于实时数据通信。对于实时性要求不高、对传输的可靠性要求高的应用,可使用TCP协议,也可使用UDP协议,但需在应用层提供传输可靠性保障机制。③?EPA实时通信管理接口EPA实时通信管理接口处于IP层和MAC层之间,用于管理实时EPA通信与非实时网络通信的并行运行管理。根据以太网(IEEE802.3协议),其帧格式中的长度/类型(length/type)字段,定义EPA实时通信协议。在IEEE802.3协议中,规定length/type字段的值≤1536(0X0600)时表示数据长度,当length/type字段的值>1536(0X0600)时,则表示以太网上的协议,如0X0800表示IP协议,0x0806表示ARP协议,0x0835表示RARP协议,0X8137H表示IPX协议等等。本标准中同样采用长度/类型(length/type)字段,定义一个值表示EPA实时协议(如0X8888,或65C306/314提案中定义的0x8892)。利用该长度/类型(length/type)字段的值,在EPA实时通信管理接口中,利用4.4节所定义的“实时EPA通信与非实时网络通信并行运行管理”策略对实时EPA通信与非实时网络通信进行调度,使EPA实时通信信息(周期信息和非周期信息)的传输优先于其他非实时网络通信信息的传输,以保证EPA信息传输的实时性。5epa实时通信服务EPA应用层规范为EPA设备之间周期和非周期的传输数据提供通信通道和服务接口。它由EPA实时通信规范和非实时通信协议两部分组成。其中,EPA实时通信规范是专门为EPA实时控制应用进程之间的数据传输提供通信能道和服务接口。而非实时通信协议则主要包括HTTP,FTP及TFTP等互联网络中广泛使用的技术。EPA实时通信规范是包括EPA应用层服务和EPA套接字映射接口两个层次组成。a.EPA应用层服务EPA应用层在提供分布式应用的面向对象模型的基础上,定义了一系列必要的服务来保证在开放、互连的环境下实现分布式控制。这些服务大致可以分成三类:第一类服务是域管理服务。域是一段存储区,可以存储数据,也可以存储程序。域管理服务包括上载(UpLoad)服务和下载(DownLoad)服务。域下载服务用于向EPA设备中的域下载数据或程序;域上载服务用于将EPA设备中域对象的内容上载到用户组态、监控程序;第二类服务是事件管理服务,由事件报告服务(用于传输事件报告)、确认事件报告服务(用于确认事件报告)和改变事件条件监视服务(用于改变事件条件)三条服务组成。事件管理的主要功能是从一个EPA设备发送重要的事件信息到其它设备。事件发生的条件是由用户定义的,当条件满足时,应用程序调用事件报告(EventNotification)服务来报告事件,接受事件的一方可以通过确认事件(AcknowledgeEventNotification)服务来对事件报告进行确认,也可以用改变事件条件监视(AlterEventConditionMonitor)服务来锁定或不锁定事件报告(EventNotification);第三类是变量访问服务,提供了对变量对象的读写访问。变量访问服务包括读服务(read,用于读取变量数值)、写服务(write,用于设置变量数值)以及信息发布服务(distribute,用于传送简单变量、数组变量和结构变量的具体数值,使现场设备功能块之间的输入输出参数实现相互传递)。b.EPA非实时通信规范EPA非实时通信规范广泛采用现有的商用网络技术,包括HTTP及FTP等。在这些标准的商用网络协议上层,采用基于WEB的技术,实现EPA设备的远程诊断和维护。c.EPA套接字映射接口EPA套接字映