现场总线与工业以太网：EPA标准及应用

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：EPA标准定义了基于ISO/IEC 8802-3、IEEE 802.11、IEEE 802.15、RFC 791、RFC768和RFC 793等协议的EPA系统结构、数据链路层协议、应用层服务定义与协议规范，以及基于XML的设备描述规范。EPA主设备的IP地址必须在系统中唯一。EPA现场设备必须具有EPA通信实体，并包含至少一个功能块实例。4）EPA管理信息库。5）EPA套接字映射实体。

由浙江大学牵头，重庆邮电大学作为第四核心成员制定的新一代现场总线标准——《用于工业测量与控制系统的EPA通信标准》（简称EPA标准）成为我国第一个拥有自主知识产权并被IEC认可的工业自动化领域国际标准（IEC/PAS 62409—2005）。

EPA系统是一种分布式系统，它是利用ISO/IEC 8802-3、IEEE 802.11、IEEE 802.15等协议定义的网络，将分布在现场的若干设备、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过程中的测量和控制。EPA系统可以用于工业自动化控制环境。

EPA标准定义了基于ISO/IEC 8802-3、IEEE 802.11、IEEE 802.15、RFC 791、RFC768和RFC 793等协议的EPA系统结构、数据链路层协议、应用层服务定义与协议规范，以及基于XML的设备描述规范。

1.EPA的网络拓扑结构

EPA采用逻辑隔离式微网段化技术，形成了“总体分散、局部集中”的控制系统结构，如图1-26所示。

图1-26 EPA系统的网络拓扑结构

L1网段和L2网段是按照它们在控制系统中所处的网络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。现场设备层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。

无论是监控层L2网段，还是现场设备级L1网段，均可分为一个或几个微网段。

一个微网段即为一个控制区域，用于连接几个EPA现场设备。在一个控制区域内，EPA设备之间互相通信，实现特定的测量和控制功能。一个微网段通过一个EPA网桥与其他微网段相连。

一个微网段可以由以太网、无线局域网或蓝牙3种网络类型中的一种构成，也可以由其中的两种或3种组合而成，但不同类型的网络之间需要通过相应的网关或无线接入设备连接。

EPA控制系统中的设备有EPA主设备、EPA现场设备、EPA网桥、EPA代理和无线接入设备等几类。

（1）EPA主设备

EPA主设备是监控级L2网段上的EPA设备，具有EPA通信接口，不要求具有控制功能块或功能块应用进程。EPA主设备一般指EPA控制系统中的组态、监控设备或人机接口等，如工程师站、操作站和HMI等。

EPA主设备的IP地址必须在系统中唯一。

（2）EPA现场设备

EPA现场设备是指处于工业现场应用环境中的设备，如变送器、执行器、开关、数据采集器、现场控制器等。

EPA现场设备必须具有EPA通信实体，并包含至少一个功能块实例。EPA现场设备的IP地址也必须在系统中唯一。

（3）EPA网桥

EPA网桥是一个微网段与其他微网段或与监控级L2连接的设备。一个EPA网桥至少有两个通信接口，分别连接两个微网段。

EPA网桥是可以组态的设备，具有以下功能：

1）通信隔离。一个EPA网桥必须将其所连接的本地所有通信流量限制在其所在的微网段内，而不占用其他微网段的通信带宽资源。这里所指的通信流量包括以广播、一点对多点传输的组播，以及点对点传输的单播等所有类型的通信报文所占的带宽资源。

2）报文转发与控制。一个EPA网桥还必须对分别连接在两个不同微网段、一个微网段与L2网段的设备之间互相通信的报文进行转发与控制，即连接在一个微网段的EPA设备与连接在其他微网段或L2网段的EPA设备进行通信时，其通信报文由EPA网桥负责控制转发。

本标准推荐每个L1微网段使用一个EPA网桥，但在系统规模不大，整个系统为一个微网段时，可以不使用EPA网桥。(www.chuimin.cn)

（4）无线EPA接入设备

无线EPA接入设备是一个可选设备，由一个无线通信接口（如无线局域网通信接口或蓝牙通信接口）和一个以太网通信接口构成，用于连接无线网络与以太网。

（5）无线EPA现场设备

无线EPA现场设备具有至少一个无线通信接口（如无线局域网通信接口或蓝牙通信接口），并具有EPA通信实体，包含至少一个功能块实例。

（6）EPA代理

EPA代理是一个可选设备，用于连接EPA网络与其他网络，并对远程访问和数据交换进行安全控制与管理。

2.EPA的通信协议

（1）EPA通信协议模型

EPA通信系统的分层结构与OSI基本通信模型相比较，主要在应用层之上添加了用户层；在应用层除了使用HTTP、FTP等常用通信协议之外，还加入了EPA应用层协议；同时在数据链路层采用了EPA通信调度管理实体，见表1-5。

表1-5 EPA对OSI模型的映射

EPA通信协议模型如图1-27所示。除了ISO/IEC 8802-3、IEEE 802.11、IEEE 802.15、TCP/IP、UDP/IP、SNMP、SNTP、DHCP、HTTP、FTP等协议组件外，还包括以下几个部分：

1）EPA系统管理实体。

2）EPA应用访问实体。

3）EPA通信调度管理实体。

4）EPA管理信息库。

5）EPA套接字映射实体。

图1-27 EPA通信协议模型

（2）EPA应用进程

在EPA系统中，所有的应用进程分为两类，即EPA功能块应用进程和非实时应用进程，它们可以在一个EPA系统中并行运行。非实时应用进程是指基于HTTP、FTP以及其他IT应用协议的应用进程，如HTTP服务应用进程、电子邮件应用进程、FTP应用进程等。也就是通用的以太网通信应用进程。

EPA功能块应用进程是指根据IEC 61499协议定义的“工业过程测量和控制系统用功能模块”和IEC 61804协议定义的“过程控制用功能块”所构成的应用进程。在功能块之间的互操作被模型化为将一个功能模块的输入链接到另一个功能模块的输出。功能模块间的链接存在于功能块应用进程之内和之间。位于同一个设备中的功能模块之间的接口由本地定义。不同设备之间的功能块使用EPA应用层服务。

现场总线与工业以太网：EPA标准及应用

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