EPA工業(yè)以太網(wǎng)傳輸信息結(jié)構(gòu)分析

林 琳劉 寧

（1.焦作市職業(yè)技術(shù)學(xué)校建經(jīng)教學(xué)部，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南 焦作454000）

0 引言

以太網(wǎng)因為具有價格低廉、可靠性高等優(yōu)點，成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向[1]。但是，由于以太網(wǎng)采用CSMA/CD，并且采用1堅持BEB算法處理沖突，使以太網(wǎng)的通信時延具有不確定性 （即不具有實時性），限制了以太網(wǎng)在現(xiàn)場總線中的應(yīng)用，因此，以太網(wǎng)技術(shù)必須經(jīng)過改進才能勝任對時間要求嚴格的工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)的要求。

EPA(Ethernet for Plant Automation)是在國家“863”計劃支持下，由中國自主提出的基于工業(yè)以太網(wǎng)的實時通信控制系統(tǒng)解決方案，是我國第一個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線國家標準，并有望被列入現(xiàn)場總線國際標準IEC61158（第四版）。[1-3]

為了達到控制與監(jiān)控等任務(wù)的要求，EPA系統(tǒng)中的信息在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時，應(yīng)有可預(yù)測的，確定的時延，也就是信息傳輸必須具有實時性[4-5]。EPA通過確定性通信調(diào)度策略來實現(xiàn)上述目的，為了保證確定性通信調(diào)度策略的順利進行，網(wǎng)絡(luò)中除了要發(fā)送數(shù)據(jù)報文之外，還要發(fā)送非周期數(shù)據(jù)聲明和非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明等調(diào)度報文。報文的組成結(jié)構(gòu)決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ帕?，對網(wǎng)絡(luò)中的通信負荷具有較大影響。因此，分析EPA系統(tǒng)的報文組成結(jié)構(gòu)是EPA系統(tǒng)通信實時性研究必須首先解決的問題，本文以下內(nèi)容將對這個問題進行探討。

1 EPA數(shù)據(jù)傳輸報文結(jié)構(gòu)分析

以太網(wǎng)有IEC8802-3和以太網(wǎng)封裝兩種幀格式，在此只分析IEC8802-3格式這一種，如圖1所示。EPA應(yīng)用訪問實體與EPA系統(tǒng)管理實體的服務(wù)報文均采用UDP/IP協(xié)議傳送。前同步碼、目的地址、源地址、 長度、DSAP、SSAP、Cntl、Orgcode 字段是由于采用 IEC8802-3協(xié)議而附加的字段。在EPA報文PDU格式中，TYPE字段是協(xié)議類型，長度為2個字節(jié)，值為0x88BC；IP Header是IP首部，長度為20個字節(jié)；UDP Header是UDP首部，長度為8個字節(jié)；EPA AppDATA是指EPA應(yīng)用層數(shù)據(jù)；CRC是循環(huán)冗余校驗和 （Cyclic Redundancy Check），長度為4個字節(jié)；DATA_UNIT是數(shù)據(jù)單元，最小長度為46個字節(jié)。

通信開銷指的是為了成功發(fā)送一個EPA數(shù)據(jù)報文而在通信過程中所附加的如地址字段、循環(huán)冗余校驗碼等信息所占的字節(jié)數(shù)，通信開銷的大小由系統(tǒng)所采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和各層的協(xié)議決定。從圖1中可以看出，當采用IEC8802-3和UDP/IP協(xié)議時，EPA報文的傳輸開銷為：

式中L1～L12分別表示圖1中幀的前同步碼、目的地址、源地址、長度、DSAP、SSAP、Cntl、Orgcode、類型、IP 首部、UDP 首部和 CRC 字段的長度。

圖1 EPA報文格式

EPA報文的實際幀長度L為EPA AppDATA（EPA應(yīng)用層數(shù)據(jù)）長度LT和通信開銷Lc之和，如公式（2）所示：

L＝LT＋Lc＝LT＋62（byte） （2）

當一個報文的應(yīng)用層數(shù)據(jù)長度確定時，代入公式（2）即可得出報文的幀長度。

2 調(diào)度報文結(jié)構(gòu)分析

EPA系統(tǒng)的調(diào)度報文指的是為了保證確定性通信調(diào)度策略順利進行發(fā)送的為調(diào)度服務(wù)的報文，包括非周期數(shù)據(jù)聲明報文和非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明報文兩種。以下分析這兩種報文的組成結(jié)構(gòu)。非周期數(shù)據(jù)發(fā)送聲明報文格式如圖2所示：

圖2 EPA非周期數(shù)據(jù)聲明報文格式

圖2中，NPMA_TAG為非周期數(shù)據(jù)發(fā)送聲明報文標識，長度為1字節(jié)，值為0x20。PRI為優(yōu)先級（Priority），長度為1字節(jié)，表示下一個要發(fā)送的非周期報文優(yōu)先級，0xFF表示隊列中沒有非周期報文發(fā)送。PAD表示填充字符，長度為44字節(jié)，取值固定為0x20。其他字段與EPA數(shù)據(jù)傳輸報文一致。如圖2所示，非周期數(shù)據(jù)聲明報文的幀長度Lf等于EPA報文傳輸開銷Lc與NPMA_TAG、PRI和PAD字段長度之和，如公式（3）所示：

Lf＝Lc＋LN＋LP＋LA＝62＋1＋1＋44＝108（byte） （3）

式中的LN、LP、LA分別表示字段NPMA_TAG、PRI和PAD的長度。

非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明報文格式如圖3所示：

圖3 EPA非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明報文格式

其中，ENPMTA_TAG字段為非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明報文標識，長度為1字節(jié)，值為0x21。PRI字段為優(yōu)先級（Priority），長度為1字節(jié)，表示下一個要發(fā)送的非周期報文優(yōu)先級，0xFF表示隊列中沒有非周期報文發(fā)送。其他字段與非周期數(shù)據(jù)發(fā)送聲明報文一致。如圖3所示，非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明報文的幀長度Le等于EPA報文傳輸開銷Lc與ENPMA_TAG、PRI和PAD字段長度之和，如公式（4）所示：

Le＝Lc＋LE＋LR＋LD＝62＋1＋1＋44＝108（byte） （4）

式中的 LE、LR、LD分別表示字段 ENPMA_TAG、PRI和 PAD 的長度。

如公式（3）和公式（4）所示，EPA非周期數(shù)據(jù)聲明報文和非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明報文的應(yīng)用層數(shù)據(jù)各個字段都已經(jīng)固定，所以其幀長度為固定的。

值得一提的是，根據(jù)IEC8802-3的規(guī)定，在以太網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，如果是包括前同步碼的情況下幀長小于72bytes的最小幀長，要將數(shù)據(jù)幀進行填充，使之達到72bytes的長度。但在EPA實時以太網(wǎng)中規(guī)定，EPA應(yīng)

σyy=P(t),σyx=0,σyz=0,Hyy=0,Hyx=0,Hyz=0

當 y=0,0≤x≤a(t)時:

σyy=0,σyx=0,σyz=0,Hyy=0,Hyx=0,Hyz=0

當 y=0,a(t)≤x≤L 時:

uy=0,σyx=0,σyz=0,wy=0,Hyx=0,Hyz=0

初值條件滿足【參考文獻】

［1］Lubensky T C,Ramaswany S and Toner J.Dislocation motion in quasicrystal and implications for macroscopic properties[J].Phys.Rev.B 1986,33:7715-7719.

［2］Ding D H,Yang W G,Hu C Z et al.Generalized elasticity theory of quasicrystals[J].Phys.Rev.B,1993,48(10):7003-7010.