5.2.1 CIP对象模型

图5-4为CIP的对象模型。包括所有EIP设备都必须实现的核心对象，如消息路由器（Message Router）、无连接信息管理器（Unconnected Message Manager）、标识对象（Identity Object）和连接管理器（Connection Manager）；可以选择实现的对象：组合对象（Assembly Object）。

（1）消息路由器。负责接收来自UCMM或Transport的显式报文，去掉报文头，将数据进行解析。根据要访问的类和属性路径对目的对象进行路由；

（2）无连接信息管理器（UCMM）。主要通过基于非连接传输方式的报文解析，提供跨网络的报文服务并可以进行报文复制检测和重试服务。值得注意的是CIP中UCMM和Transport并不是真正意义上的对象，而是与产品具体实现相关的功能组件。相对于UCMM来讲，Transport在网络层和设备对象之间直接建立了一个接口：当接收到显式报文时，将数据送给Message Router处理；当接收到隐式报文时，直接将数据送到应用对象处理。提供跨网络的报文服务并可以进行报文复制检测和重试服务；

（3）标识对象。包含了当产品接入网络时与网络相关的所有服务和属性，如提供Vendor ID、IP地址和端口号等设备相关信息；

（4）连接管理器。负责管理网络上连接的打开和关闭，为1类和3类连接提供传输目标。

（5）组合对象。用于实现网络上结点数据的传送和接收。

图5-4 CIP的对象模型

CIP规约定义了三种类型的对象：①必须对象②应用对象③厂商定义对象。

必须对象是指每个CIP设备都必须包含的对象（如标识对象和消息路由器等）。

应用对象定义了设备封装的数据。这类对象对应于不同的设备。比如，驱动系统中的电机对象包含了描述频率、额定电流和电机尺寸等属性数据；I/O设备的模拟量输入对象包含了模拟输入的类型和电流值等属性数据。

厂商定义对象是指那些在规约中没有指明的而是由厂商自己构造的特殊对象，在访问这类对象时可以使用与访问必须对象和应用对象相同的方法。

5.2.2 三种主要的传输方式

EIP中现有的主要三种传输类型为UCMM方式、1类和3类传输方式。

（1）UCMM方式，即基于无连接的报文传输。

该方式由客户端和服务器端组成，客户端发起报文传输，服务器端对客户端的请求进行响应。UCMM方式采用了重发和确认机制来保证每次请求和响应包的可靠传输。与1类和3类传输方式相比，这种传输方式效率相对较低，但由于采用基于无连接的方式，在传输请求和响应包时不需要预先进行协商。UCMM客户端可以同时向一个和多个服务器端发起多次请求/响应传输，具体传输次数大小仅由实际客户端设备的传输记录能力来决定。与此类似，UCMM的服务器端可以同时接收来自多个不同客户端传输请求/响应，具体数目也是仅由实际服务器端设备的传输记录能力来决定的。UCMM类传输方式多用在1类和3类传输初始化阶段，连接初始化工作由Connection Manager Object（连接管理器对象）来完成。

（2）1类传输，即基于连接的实时数据传输。

与UCMM和3类传输方式不同，该传输方式不是由采用客户端和服务器端的组成，而是由生产者和消费者组成。 它允许连接中的双方节点可以分别同时发送和接收数据，而不再有先请求后响应的顺序要求了。1类传输可以重复进行，是进行实时控制数据传输的主要方式。

（3）3类传输： 基于连接的报文传输；

与UCMM传输方式类似，3类传输方式也由客户端和服务器端组成，客户端发起报文传输，服务器端则对客户端的请求进行响应。这种方式适合于以定时方式进行的事件类触发数据的传输，传输效率高于UCMM传输方式。

   3类传输是通过TCP/IP协议收发报文的，主要是通过TCP端口0xaf12进行的，所有的3类报文都是采用点对点方式传输的；1类传输是通过UDP/IP协议收发报文的，主要是通过UDP端口0x08ae进行的，1类报文可以采用点对点传输，也可以采用多播方式进行多点传输。

5.2.3 EIP产品的开发

为了推广EIP作为工业自动化应用层协议的使用，国际上有四个独立的组织一直在努力工作，即：ODVA（Open DeviceNet Vendor Association）、CI（ControlNet International）、IAONA（Industrial Automation Open Network Alliance）和IEA（Idustrial Ethernet Association）。这些组织进行EIP的技术开发和管理工作。

在进行EIP产品的开发时，有一点开发人员一定要注意：数据的存储和传输方式。不同的处理器会采用不同的数据存储方式。在很多系统中数据是采用小端方式进行存储的，而在网络上传输的数据是以大端方式进行的传输的，所以必要时要进行字节顺序的调整。

EIP规范中使用0x08ae作为UDP端口号；使用0xaf12作为TCP端口号，并且通过了国际组织的审议，所有EtherNet/IP产品都应该通过这两个端口进行网络数据的传输。

目前EIP已经成为国际标准（包含在IEC61158和IEC61784中），在世界上已经得到数以百计的厂商广泛支持，相应开发工具可以从www.odva.org和www.controlnet.org 中获得。同时为了加快EtherNet/IP的推广，ODVA提供了1个例子程序的源代码，供开发人员参考，该例子程序可在ODVA网站上免费下载。

在从事EIP产品研制时，开发人员应该准备好下面一些基本条件：

①适当的以太网开发硬件平台，应该选取带有网络控制器芯片或集成网络控制器功能的控制芯片，以便驱动网络上数据的交换；②可供选择或厂商指定的实际应用对象；③带有伯克利（或与之相兼容）的套接字接口的TCP/IP协议栈；④多任务的实时操作系统（Real Time Operation System，RTOS）

由于EIP协议比较复杂，在开发EIP产品时可以按照不同层次的模型来进行，只需实现实际产品需要的功能就可以，而不必实现全部的EIP协议内容。

5.3 EtherNet/IP的报文种类

在EIP控制网络中，设备之间在TCP/UDP/IP基础上通过CIP协议实现通信。CIP把报文分为3种。

5.3.1 I/O数据报文

I/O数据报文指实时性要求较高的测量控制数据，通常是小包数据。I/O数据交换通常属于一个数据源和多个目标设备之间的长期的内部连接。I/O数据包利用UDP的高速吞吐能力，采用UDP/IP协议传输。

I/O数据报文又称隐性报文，隐性报文中包含应用对象的I/O数据，没有协议信息。数据接受者知道数据的含义。这种隐性报文仅能以面向连接的方式传送。面向连接意味着数据传送前需要建立和维护通信连接。

5.3.2 信息报文

信息报文指实时性要求较低的组态、诊断、趋势数据等，一般为比I/O数据报文大得多的数据包。信息报文交换是一个数据源和一个目标设备之间短时间内的链接。信息报文包采用TCP/IP协议，并利用TCP的数据处理特性。

信息报文属于显性报文，需要根据协议及代码的相关规定来理解报文的意义，或者说，显性报文传递的是协议信息。可以采用面向连接的通信方式、也可以采用非连接的通信方式来传送显性报文。非连接的通信方式不需要建立和维护链路连接。

5.3.3 网络维护报文

网络维护报文指一个生产者与任意多个消费者之间起网络维护作用的报文。在系统专门指定的维护时间内，由地址最低的节点在此时间段内发送时钟同步和一些重要的网络参数，以使网络中各节点同步时钟，调整与网络运行相关的参数。网络维护报文一般采用广播式发送。

5.4 EtherNet/IP的技术特点 

EIP提供的厂商支持、灵活性以及在以太网上实现CIP所带来的高性能是其他类型的IE（如HSE、Modbus TCP、Profinet等）所无法比拟的，可以只用一种配置工具来完成不同网络上CIP设备的配置，而不再需要使用厂商特定的软件；所有设备以对象来分类减少了培训时间和新产品上市的时间；EIP提供了比DeviceNet和ControlNet更快的传输速度和更大的数据包传输能力；可以完成具有一致应用层接口的传感器总线级到控制级再到企业级的系统无缝集成。

EtherNet／IP现场设备的另一突出特点在于它具有内置的web server功能，不仅能提供www服务，能提供诸如电子邮件等众多的网络服务，其模块、网络和系统的数据信息可以通过网络浏览器获得。EtherNet／IP的现有产品已经能够通过HTTP提供诸如读写数据，读诊断，发送电子邮件，编辑组态数据等能力。

EIP最新技术体现在同步技术（CIP Sync）和安全技术（CIP Safety）方面的新进展。结合CIP Sync（基于IEEE-1588）技术的EIP已经实现的时间同步精度高达100ns；CIP Safety支持在同一网络或线路上同时运行标准和安全设备的能力，并能够无缝地进行系统集成。结合CIP Motion伺服技术，EIP在分布式伺服控制中取得了令人瞩目的业绩。有理由相信，EIP一定会在更广泛的领域中发挥更大的作用。

6．HSE标准【2】【14】

6.1 HSE概述

高速以太网（High Speed Ethernet, HSE）是美国现场总线基金会（Fieldbus Foundation，FF）在摒弃了原有高速总线H2之后的新作。1998年，FF决定采用HSE作为控制级以上通信网络的H2主干网。　

基金会现场总线( FF) 是专为过程自动化而设计的通讯协议。FF 现场总线最初包括低速总线H1(速率为31.25kbps) 和高速总线H2 (速率为1Mbps和2.5Mbps) 两部分。但随着多媒体技术的发展和工业自动化水平的提高,控制网络的实时信息传输量越来越大,H2 的设计能力已不能满足实时信息传输的带宽要求。鉴于此,现场总线基金会放弃了原有H2 总线计划,取而代之的是将现场总线技术与成熟的高速商用以太网技术相结合的新型高速现场总线- 基金会HSE(High Speed Ethernet) 现场总线,并于2000 年3 月发布了HSE 的最终规范。

FF明确将HSE定位成实现控制网络与互联网Internet的集成。由HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上并进一步送到企业的ERP和管理系统。操作员在主控室可以直接使用网络浏览器查看现场运行情况。现场设备同样也可以从网络获得控制信息。

FF HSE是为过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的基于高速以太网的通信协议。它具有速率高（100Mbps），数据通信量大，与计算机互联容易，价格低廉等特点。HSE 现场总线主要的应用场合有两方面：一方面是用于因计算量过大而不适合在现场仪表中进行的高层模型或调度运算；另一方面是作为多条H1 总线或其它网络的网关。

FF HSE总线可以使用当前流行的商用（COTS）以太网设备，100Mbps以太网拓扑采用交换机形成星形连接，这种交换机具有防火墙功能，以阻断特殊类型的信息出入网络。HSE使用标准的IEEE802.3信号传输、标准的Ethernet接线和通信媒体。设备与交换机之间距离，使用双绞线为100m，光缆可达2 km。HSE使用连接装置（LD）连接H1子系统，LD执行网桥功能，它容许就地连在H1网络的各现场设备上，以完成点对点的对等通信。HSE支持冗余通信，网络上的任何设备都能作冗余配置。

6.2 HSE的通信模型和网络拓扑

HSE 是一种基于Ethernet + TCP/ IP 协议、运行在100BaseT 以太网上的高速现场总线。它能支持低速总线H1 的所有功能,是对H1 的补充和增强。

6.2.1通信模型

HSE 模型采用了OSI 参考模型中物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层,并在应用层上增加了用户层,形成6 层的通信模型。图6-1表示了HSE通信模型的分层，各层的模块结构如图6-2所示。

HSE 的结构是一个增强型的标准以太网模式。

HSE在低四层直接采用以太网+TCP/IP。

底层采用标准以太网IEEE802.3μ（快速以太网）的最新技术和CSMA/CD 链路控制协议来进行介质的访问控制。

TCP/IP 协议是标准以太网的重要协议,它位于网络层和传输层, 实现面向连接和无连接的数据传送,并为分布式主机控制协议(DHCP) 、简单网络时间协议(SNTP) 、简单网络管理协议(SNMP) 和现场设备访问代理(FDA Agent) 提供传输服务。

HSE系统和网络管理代理、功能块、HSE 管理代理和现场设备访问代理都位于用户层和应用层中, 提供设备的描述和访问、功能块应用、网络和系统的组态运行管理及维护、故障的诊断和处理、同时保存各种相关信息参数,实现HSE 模型内部的无缝操作。FF规范21种功能模块供基本的和先进的过程控制使用。FF还规定了新的柔性功能模块（FFB），用以进行复杂的批处理和混合控制应用。

同时，在应用层和用户层通过链接设备(Linking Device)将FF H1网络连接到HSE网段上，HSE链接设备同时也具有网桥和网关的功能。它的网桥功能能用来连接多个H1总线网段，使不同H1网段上的H1设备之间能够进行对等通信而无需主机系统的干预。HSE主机可以与所有的链接设备和链接设备上挂接的H1设备进行通信，使操作数据能传送到远程的现场设备，并接收来自现场设备的数据信息，实现监控和报表功能。监视和控制参数可直接映射到标准功能块或者“柔性功能块”(FFB)中。FFB支持数据采集的监控、子系统接口、事件顺序、多路数据采集、PLC以及与其它协议通信的网间连接器。

标准以太网技术使得HSE 设备无需添加任何专用设备即可直接连入高速网络,同时也从另一方面增强了HSE 设备的互操作性。

6.2.2拓扑结构

图6-3是基于HSE的工业以太网控制系统示意图。系统中包括100M工业以太网交换机、HSE主设备、HSE现场设备、HES链接设备以及HSE网关。

其中HSE主设备即是安装了组态工具的PC机，它可以对系统中的各种HSE设备进行组态，另外，HSE主设备还可以行使时钟服务器和DHCP服务器的功能。

HSE链接设备对HSE协议和Hl协议进行转换，实现了HSE与Hl的互联。HSE网关对HSE协议和其它类型的现场总线协议(如ProfibuS等)进行转换，实现了HSE与其它类型现场总线的互联。

HSE现场设备是包含了FBAP（用户层的功能块应用进程）以及NMA VFD（网络管理代理虚拟现场设备）的HSE设备，它可以实现一定的控制功能。

图6-3 基于HSE的工业以太网控制系统

6.3  HSE的功能特色

HSE 除了具有高带宽和更好的开放性之外,灵活的网络和设备冗余形式以及灵活功能块技术是HSE 的两个特色技术。

6.3.1冗余形式

HSE 的特色之一是它的冗余设计。HSE 规范支持包括标准以太网应用的冗余。HSE 冗余提供通信路径冗余(冗余网络) 和设备冗余两类,允许所有端口通过选择连接,如图6-4所示。

6.2.3柔性功能块

功能块是FF 的技术特色之一,但是在柔性功能块推出之前,FF设备根本不接收传统的离散信号。HSE 不仅支持FF 所有标准功能块,而且增加了柔性功能块(FFB ,Flexible Function Blocks) ,以实现离散控制,这是HSE 的又一特色。柔性功能块是具体应用于混合、离散控制和I/ O 子系统集成的功能模块,它包含了8 个通道的多路模拟量输入输出、离散量输入输出和特殊应用块,并使用IEC6113123 定义的标准编程语言,也可以使用于H1 中。柔性功能块的应用包括联动驱动、监控数据获取、批处理、先进I/O 子系统接口等,它支持多路技术、PLC 和网关,可以说给用户提供了一个标准化的企业综合协议。

6.4 HSE的应用

以下给出一个FF2HSE 现场总线用于水位和温度控制的例子,系统结构如图6-5所示,整个系统采用Smar 公司的FF 现场总线控制设备与软件。在系统中,通过10/ 100M 的交换机,将DFI302、管理计算机和监控站连入到HSE 网络中。DFI302 是结合了链路设备、现场设备、网关3 种功能的FF 现场总线控制器、接口和主机系统,其中的链接部件DF51将控制温度、水位的H1 控制链路接入HSE 网络。在上层监控站,通过SYSCON 软件进行系统逻辑和控制策略组态;采用支持OPC 技术(OLE for Process Control) 的AIMAX组态软件开发人机界面。

7．ProfiNet标准【1】【16】【17】

PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。

它主要包含3方面的技术：① 基于通用对象模型(COM)的分布式自动化系统；② 规定了Profibus和标准以太网之间的开放、透明通信；③ 提供了一个包括设备层和系统层、独立于制造商的系统模型。

7.1 ProfiNet系统结构

PROFInet采用标准TCP/IP+以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC／DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到PROFInet网络当中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在PROFInet中使用。传统的Profibus设备可通过代理proxy与PROFInet上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象之间的调用。

PROFINET是适用于不同需求的完整解决方案，其功能包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。

 PROFINET覆盖了自动化工程的所有需求。PROFINET概念是模块化的，它使用户能够选择他们自己所需要的功能。PROFINET功能的差别仅在于其侧重于数据交换的特质，以满足某些情况下极其苛刻的速度要求。图7-1表示了PROFINET的结构。PROFINET分为两大方面：用于集成分布式I/O的PROFINET IO，用于创建模块化装备的PROFINET CBA。

1. PROFINET IO

在PROFINET的框架内，PROFINET IO是用于分布式应用的通信观念。它可被用来从已有的PROFIBUS创建自动化解决方案。由于已安装的PROFINET IO可以一对一重新使用，只需要更换总线接口，因此投资完全得到了保护。通俗地讲，PROFINET完成的是对分散式的现场IO的控制，它做的工作就是PROFIBUS做的工作，只不过把过去设备上的PROHBUS接口更换成PROFINET接口就行了。带PROFINET接口的智能化设备可以直接连接到网络中，而简单的设备和传感器可以集中连接到远程I／0模块上，通过I／0模块连接到网络中。  

PROFINET IO中有三种设备：IO控制器、IO设备和IO监视器。

(1)IO控制器

一般由PLC来担任该IO控制器，系统运行时，自动循环执行写在PLC中的用户控制程序。IO控制器相当于PROFIBUS中的主站。

(2)IO监视器

用户可以使用IO监视器进行组态、编程，然后把它们下载到IO控制器中。IO监视器也可以用来对系统进行诊断、分析，相当于PROFIBUS中的2类主站。

(3)IO设备

 1O设备是分散于控制现场的各种装置、设备或子系统，相当于PROFIBUS中的从站。

这三种设备之间可以进行所需要的通信，它们的功能和它们之间的通信形式如图7-2所示

2. PROFINET CBA

随着现场设备智能程度的不断提高，自动化控制系统的分散程度也越来越高。工业控制系统正由分散式自动化向分布式自动化演进，因此，基于组件的自动化（Component Based Automation，CBA）成为新兴的趋势。工厂中的相关的机械部件、电气/电子部件和应用软件等具有独立工作能力的工艺模块抽象成为一个封装好的组件，各组件间使用PROFINET连接。通过SIMATIC iMap软件，即可用图形化组态的方式实现各组件间的通讯配置，不需要另外编程，大大简化了系统的配置及调试过程
　　通过模块化这一成功理念，可以显著降低机器和工厂建设中的组态与上线调试时间。在使用分布式智能系统或可编程现场设备、驱动系统和I/O时，还可以扩展使用模块化理念，从机械应用扩展到自动化解决方案。另外，也可以将一条生产线的单个机器作为生产线或过程中的一个"标准模块"进行定义。作为设备与工厂设计者，工艺模块化能够更容易、更好地对您的设备与系统进行标准化和再利用。使您能够对不同的客户要求更快、更具灵活性地作出反应。可以对各台设备和厂区提前进行预先测试－－极大地缩短系统上线调试阶段。作为系统操作者，从现场设备到管理层，都可以从IT标准的通用通讯中获得好处。对现有系统进行扩展也很容易。

7.2  PROFINET实时通信

根据响应时间的不同，PROFINET支持下列三种通讯方式：
　　1.TCP/IP标准通讯
　　PROFINET基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP 是IT 领域关于通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时间大概在100 ms的量级，不过，对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间就足够了。
　　2.实时（RT）通讯
　　对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，因此，PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层（Layer 2）的实时通讯通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在通讯栈中的处理时间，PROFINET实时通讯（RT）的典型响应时间是5－10ms。
　　3.同步实时（IRT）通讯
　　在现场级通讯中，对通讯实时性要求最高的是运动控制（Motion Control），PROFINET的同步实时（Isochronous Real-Time, IRT）技术可以满足运动控制的高速通讯需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1μs，以此来保证及时的、确定的响应。

7.3 PROFINET分布式现场设备与控制

通过集成PROFINET接口，分布式现场设备可以直接连接到PROFINET上。
　　对于现有的现场总线通讯系统，可以通过代理服务器实现与PROFINET的透明连接。例如，通过IE/PB Link（PROFINET和PROFIBUS之间的代理服务器）可以将一个PROFIBUS网络透明的集成到PROFINET当中，PROFIBUS各种丰富的设备诊断功能同样也适用于PROFINET。对于其他类型的现场总线，可以通过同样的方式，使用一个代理服务器将现场总线网络接入到PROFINET当中。

8．EPA标准（工业以太网技术）

EPA用于工业测量与控制系统的以太网标准在国家科技部“863”计划的支持下，由浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化所、重庆邮电学院、大连理工大学、清华大学等单位联合组成的标准起草工作组起草。

 EP A系统是一种分布式系统，它利用ISO/IEC8802-3, IEEE802.11,IEEE802.15等协议定义网络，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，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。EPA系统可以用于制造和过程控制环境。主要特点有:

①兼容性。EPA控制系统兼容IEEE802.3,IEEE802.IP&Q、IEEE802.ID ,IEEE802.11、IEEE802.15以及UDP(TCP)/IP等协议。

②微网段化系统结构。EPA控制系统中，控制网络划分为若干个控制区域，每个控制区域即为一个微网段。每个微网段通过EPA网桥与其他网段进行分隔，该微网段内EPA设备间的通信被限制在本控制区域内进行，而不会占用其他网段的带宽资源。处于不同微网段的EPA设备间的通信，需由相应的EPA网桥进行转发控制。

③确定性通信。在数据链路层与网络层之间定义了一个确定性通信调度管理接口，用于处理EPA设备的报文发送调度。通过该通信调度管理接口，EPA设备按组态后的顺序，采用错时发送的方式向网络上

发送报文，以避免报文冲突，并确保通信的确定性。

④支持EPA报文与通用网络报文并行传输。在不影响实时性的前提下，支持EPA报文与通用网络报文并行传输。

⑤分层安全控制导则。对基于EPA的分布式现场网络控制系统，从企业信息管理层、过程监控层和现场设备层3个层次，采用不同的安全技术，如防火墙技术、网络隔离、硬件加锁等安全措施。

⑥网络供电。基于IEEE802.3af标准，EPA标准规定了基于以太网的网络供电方法。

⑦冗余管理。EPA标准规定了EPA网络冗余的相关技术，如网络冗余、设备冗余以及必要的故障检测和故障恢复措施。

⑧基于XML的EPA设备描述。EPA标准采用XML结构化文本语言，规定了EPA设备资源的描述方法，以实现不同EPA设备的互可操作。

⑨可靠性与抗干扰要求。为适应工业现场应用环境，EPA标准也规定了可靠性与工程应用导则。   

8.1 EPA网络拓扑结构

1.EPA主设备

EPA主设备是过程监控层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EAP控制系统中的组态、监控设备或人机接口等。 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的设备，如变送器执行器，数据采集器，现场控制器等EPA现场设备必需具有EPA通信实体，并包含至少一个功能块实例。 EPA现场设备的IP地址必须在系统中唯一。

3.EPA网桥

EPA网桥是一个微网段与其它微网段连接的设备。一个EPA网桥至少有两个通信接口，分别连接两个微网。EPA网桥是可以组态的设备，具有两大功能:

一是通信隔离功能，一个EPA网桥必须将其所连接的两个微网段内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。

二是报文转发与控制功能，一个EPA网桥还必须对分别连接在两个不同微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的EPA设备进行通信时，其通信报文由E队网桥负责控制转发。

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网络与其它网络，并对远程访问和数据交换进行安全控制与管理。

8.2 EPA通讯协议

1. EPA通信协议模型

EPA采用了以太网和无线通信网络等信息网络成熟技术和产品，参照ISO/OSI七层通信结构模型，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，共构成六层结构的通信模型，如图8-2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。在EPA中采用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应用导则。

(2)EPA通信调度管理实体

EPA通信调度管理实体定义了网络层(PI层)与数据链路层(MAC层)之间的接口，用于控制由网络层到MAC层的实时数据包与非实时数据包的传输调度，以满足EPA通信过程的实时性。

(3)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，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，用于实时通信。对于其它实时性要求不高、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。

(4)应用层

EPA应用层为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应用实体和TI应用协议两部分组成。其中EPA应用实体是专门为EPA实时控制应用进程之间的数据传输提供通信通道和服务接口。而TI应用协议则主要包括HTTP、FTP等互联网络中广泛使用的协议。

(5)用户层

用户层直接面向用户，用户根据自己的控制逻辑需要，利用组态软件组态不同功能块应用进程以完成各种控制策略，也可根据自己的需要组态各种非实时性应用程序的服务。EPA用户层采用基于EIC61499定义的功能模块结构模型和EIC61804定义的功能模块元素。

EPA通信结构模型与150/051七层通信结构模型之间的关系，如表2.1所示。

表8-1EPA通信模型同ISO/OSI参考模型比较

2. EPA应用进程

在EPA系统中，将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系统中运行。

EPA功能块应用进程是指根据EIC61499协议定义的“工业过程测量和控制系统用功能模块”和IEC61804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及之间。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。

一个应用进程有两种可能的实现方式，如图8-3所示是组成一个功能块应用进程的功能块全部驻留在一个设备里;二是组成一个应用进程的功能块分布驻留在EPA系统中的多个设备里。

图8-3  EPA控制系统模型

3.EPA系统管理实体

EPA系统管理实体用于管理EPA设备的通信活动，将EPA网络上的多个设备集成为一个协同工作的通信系统它支持设备声明、设备识别，设备定位，地址分配，时间同步， EPA链接对象管理，即插即用等功能为支持这些功能， EPA系统管理实体规定了EPA通信活动所需的对象和服务。

4. EPA应用访问实体

EPA应用访问实体描述通信对象服务以及与上下层接口的关系模型。它为组成一个功能块应用进程的所有功能块实例间的通信提供通信服务，这些服务包括域上载/下载服务，变量访问服务，事件管理服务，通过这些服务，组成功能块应用进程的功能块实例之间就可以实现测量、控制值传输，下载/上载程序，发出事件通知、处理事件等功能。

5. EPA通信调度管理实体

EPA通信调度管理实体用于对EPA设备向网络上发送报文的调度管理。采用分时发送机制，按预先组态的调度方案，对EPA设备向网络上发送的周期报文与非周期报文发送时间进行控制，以避免碰撞。其中， EPA周期报文按预先组态的时刻发送; EPA非周期报文按时间有效以及报文优先级和EPA设备的IP地址大小顺序发送。所谓时间有效，是指在一个通信宏周期内的剩余时间足以将该非周期报文完整发送出去。在时间有效的情况下，优先级高的报文先发送;如果两个设备的非周期报文优先级相同，则IP地址小的EPA设备先发送非周期报文。

6.EPA管理信息库(SMIB)

EPA管理信息库存放了EPA系统管理实体，EPA通信调度管理实体和EPA应用访问实体操作所需的信息，在SMIB中，这些信息被组织为对象.如设备描述对象描述了设备位号,通信宏周期等信息，链接对象则描述了EPA应用访问实体服务所需要的访问路径信息等。

7.EPA套接字映射实体

EPA套接字映射实体提供EPA应用访问实体以及EPA系统管理实体与UDP/IP软件实体之间的映射接口，同时具有报文优先发送管理,报文封装响应,信息返回、链路状况监视等功能。

8.3 EPA系列标准

为了推广EPA系列产品和应用，规范产业标准，提高EPA控制系统的开放性、互操作性与互用性，以及对环境的实用性，参与EPA系统开发的多家单位联合制订了EPA控制系统的系列标准。

1.EPA一致性测试规范 

EPA一致性测试规范是在IEC9646的基础上指定，定义了EPA协议一致性测试的系统结构和测试平台，目的在于对EPA设备制造商所开发的基于EPA协议的各种设备的实现进行测试，判断这些产品是否符合EPA标准，以确保各个不同生产厂家的协议能够互操作。 

2.EPA功能块应用进程规范

EPA功能块应用进程规范的制定是在IEC61499和IEC61804的基础之上为了保证由不同生产商提供的EPA现场设备能够准确为控制系统识别，实现组态软件在事先不知道设备内部细节的情况下，正确操作和配置现场设备。

3.EPA互操作性规范

为了实现在同一网段各厂商EPA设备的无缝集成和连接，EPA互操作性规范制定EPA互操作测试系统，通过测试平台验证不同厂商生产的EPA设备和部件的互通和互操作能力。

4.EPA实时性能测试规范

实时性是工业以太网区别于以太网的主要特征之一，EPA实时性能测试规范制定了EPA实时性能测试平台，能够对不同的EPA应用系统进行测试评判。

5.EPA网络安全通信规范

EPA网络安全通信规范针对EPA控制网络的特点，以工业控制为对象，制定了网络分层，安全需求分级的安全机制。

6.EPA功能安全规范

通过分析EPA网络中可能回出现的数据通信障碍和风险，制定的基于EPA通信协议的功能安全措施和技术，以保证设备之间通信的正常运行和信息的正常可靠。

参考文献：

3                     王平等. 工业以太网技术. 北京: 科学出版社， 2007， 7

4                     阳宪惠等. 工业数据通信与控制网络. 北京: 清华大学出版社， 2003， 6

5                     blog.csdn.net/wishfly/archive/2008/07/17/2663776.aspx

6                     冯冬芹， 金建祥， 诸健. “工业以太网及其应用技术”讲座第1讲 工业以太网与工业IT【J】. 自动化仪表，2003，(4).

7                     冯冬芹， 金建祥， 褚健. “工业以太网及其应用技术”讲座第2讲 以太网与TCP/IP【J】. 自动化仪表，2003，(5).

8                     冯冬芹， 金建祥， 褚健. “工业以太网及其应用技术”讲座第3讲 以太网与现场总线【J】. 自动化仪表，2003，(6).

9                     陈磊， 冯冬芹， 金建祥， 褚健. “工业以太网及其应用技术”讲座第4讲 以太网在工业控制中的实时性问题【J】. 自动化仪表，2003，(7).

10                 谭平， 冯冬芹， 黄文君. “工业以太网及其应用技术”讲座第5讲 冗余以太网技术在DCS中的应用【J】. 自动化仪表，2003，(8).

11                 冯冬芹， 金建祥， 王为民， 褚健. “工业以太网及其应用技术”讲座第6讲 基于EPA的分布式网络控制系统结构【J】. 自动化仪表，2003，(9).

12                 陈征， 杨新志. “工业以太网及其应用技术”讲座第7讲 工业以太网的高可用性【J】. 自动化仪表，2003，(10).

13                 冯冬芹， 金建祥， 褚健. “工业以太网及其应用技术”讲座第8讲 EPA在纯碱碳化装置中的应用【J】. 自动化仪表，2003，(11).

14                 冯冬芹， 袁剑蓉， 朱玲芬. “工业以太网及其应用技术”讲座第9讲 基于EPA的分布式控制系统网络通信模型【J】. 自动化仪表，2003，(12).

15                 http://www.huibo.org.cn/NetworkTheory/

16                 http://www.cechina.cn/special/Ethernet/index.aspx

17                 http://article.cechina.cn/2008-05/2008519110718.htm: EtherNet/IP工业以太网白皮书

18                 http://article.cechina.cn/2008-06/2008612064040.htm: PROFINET简介

19                 http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/net/net_profinet.asp

20                 http://article.cechina.cn/2008-05/2008520102128.htm: EtherCAT介绍

21                 http://www.autooo.net/autooo/wuxiantongxun/jishu/2008-01-18/48289.html: 实时的工业以太网Ethernet Powerlink

22                 http://article.cechina.cn/2008-10/2008104102348.htm: 工业以太网协议

23                 http://linux.sheup.com/linux/linux7696.htm: 简单网络管理协议(snmp)介绍

 附录：案例分析

 附录：案例分析

EtherNet/IP工业以太网在制丝线控制系统中的应用

随着工业控制系统和信息化发展,传统的现场总线已不能完全满足日益增长的通讯和信息无缝集成的要求,成为企业信息化的一个瓶颈【1】。由于以太网有“一网到底”的特点,即它可以一直延伸到企业现场设备控制层,所以被普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案【2】。近年来由于以太网技术的发展特别是全双工以太网交换机的出现,以及以太网传送速率的不断提高,使标准以太网不存在传统共享式以太网所具有的传输冲突;此外,随着标准以太网采用的应用层协议的发展,使工业以太网技术日趋完善,已经能够满足工业现场应用中实时性的要求。根据工业以太网技术的发展状况,结合企业信息化和现场控制的要求,武汉卷烟厂将美国Rockwell公司的EtherNet/IP工业以太网应用于2400kg/h制丝线控制系统。

1　系统组成及配置

武汉卷烟厂2400kg/h制丝线充分考虑了分组加工和柔性化生产的要求,包含了二次加料、气流干燥烘丝等新工艺,工艺线路复杂,全线根据工艺划分为片烟处理、切丝、烘丝/混丝、加香4个控制段。控制系统的设计相应采取了模块化单元组合的控制思想,各控制单元可根据需要灵活组合形成生产路径。

1. 1　系统网络结构

制丝线控制系统采用信息管理层、控制层、现场设备层3层结构,基于EtherNet/IP工业以太网组成全分布式控制系统。网络设备主要包含14个ControlLogix站、3个FlexLogix站、11台电子秤(SLC500)、55个Flex I/O站、84台PowerFlex变频器、6台SMC Flex软启动器、6台现场操作员站等设备。此外,制丝线的辅助设备如切丝机和除尘设备也使用EtherNet/IP作为系统的网络连接,包括中控室的RSLinx数据服务器、操作员站,整个制丝生产线共有210多个EtherNet/IP节点。系统网络结构见图1。