6第六章EPA工业以太网协议

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。
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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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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
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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
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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
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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。
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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
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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。
现场总线
多种机制
现场设备角色平等，无主次之分 支持过程数据和参数数据的周期与 非周期服务 适合集中式与分布式控制体系
前景广阔
遵循国际化标准 可用于过程控制、机器人、楼宇自 动化和运输系统等领域 获得国内外多家高校、企业的大力 支持
系统完全开放
协议全面开放 EPA是IEC国际标准 与其他现场总线协议良好兼容
EPA优势
现场总线
技术创新
确定性调度技术 高可用性自愈式冗余环网DRP 融合功能安全、本质安全
更为易用
支持设备固件的网络更新 多种类型的独立的通信栈开发模块、 独立的协议软芯片 支持网络配置设备功能
实时性
是当今速度最快、同步性能最为 卓越的通讯系统之一 满足运动控制和过程控制的技术 需求
2007.12.14
IEC 61784-2/CPF14
2007.12.14
中国第一个现场总线国际标准
IEC 61158/Type 14
2006.5.8
中国第一个现场总线国家标准
GB/T 20171-2006
EPA工业以太网协议
现场总线
6.1 EPA概述
EPA的标准体系
EPA国际标准
EPA实时以太网技术 协议 IEC 61784-2/CPF14
● 当前市面上，总线的品目繁多，各种总线共存，无法实现互连互
通。
● 结合EPA通信协议的特点，提出EPA网段和其他总线的互连模
型——采用基于过程控制的对象连接与嵌入(OPC)技术开发了基于 EPA通信规范的OPC工具包。
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
● 基于COM/DCOM技术的EPA-OPC技术，在保证高速的数据传输速
EPA的国际标准制定
EPA是工业自动化领域由中国主持制定的第一个国际标准！
现场总线
EPA线缆与安装技术
2008.5
IEC 61784-5-14
2008.1
EPA功能安全通信EPASafety
IEC 61784-3-14
EPA分布式冗余协议DRP
2007
IEC 62439-6
中国第一个实时以太网国际标准
EPA工业以太网协议
现场总线
6.2 EPA系统特征
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工业以太网协议
现场总线
6.2 EPA系统特征
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7 兼容现有以太网 实时通信及确定性通信 支持无线接入
兼容传输标准的以太网应用协议，如 HTTP/FTP等 EPA采用精确时钟同步及扩展子层通信调 度管理实体CSME，确保了通信的实时性 和确定性 EPA支持基于IEEE802.15.4/ IEEE802.11 / WiFi的EPA- wireless无线实时通信，有线 无线有机结合 EPA定义了基于XML的设备描述方法，能够 实现设备上电自发现、自组织与即插即用 功能