林琳1 刘宁2
（1.焦作市职业技术学校建经教学部，河南 焦作 454000；
2.河南理工大学机械与动力工程学院，河南 焦作 454000）
【摘要】EPA系统通过微网段划分和确定性通信调度控制策略，解决了以太网通信的不确定性问题。本文从分析EPA报文的组成结构入手，研究了EPA确定性通信调度策略的调度通信开销，建立了数据传输报文和调度报文的通信开销数学模型，为EPA通信实时性的定量研究提供了理论基础。
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关键词 EPA；传输；信息；结构
基金项目：国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目（2013AA040303）；国家科技支撑计划(2012BAH68F02)；河南理工大学博士科研启动基金资助项目（B2012-036）。
0引言
以太网因为具有价格低廉、可靠性高等优点，成为工业控制网络的发展方向[1]。但是，由于以太网采用CSMA/CD，并且采用1坚持BEB算法处理冲突，使以太网的通信时延具有不确定性（即不具有实时性），限制了以太网在现场总线中的应用，因此，以太网技术必须经过改进才能胜任对时间要求严格的工业自动化控制网络的要求。
EPA(Ethernet for Plant Automation) 是在国家“863”计划支持下，由中国自主提出的基于工业以太网的实时通信控制系统解决方案，是我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准，并有望被列入现场总线国际标准IEC61158（第四版）。[1-3]
为了达到控制与监控等任务的要求，EPA系统中的信息在网络上传输时，应有可预测的，确定的时延，也就是信息传输必须具有实时性[4-5]。EPA通过确定性通信调度策略来实现上述目的，为了保证确定性通信调度策略的顺利进行，网络中除了要发送数据报文之外，还要发送非周期数据声明和非周期数据发送结束声明等调度报文。报文的组成结构决定了数据传输的通信量，对网络中的通信负荷具有较大影响。因此，分析EPA系统的报文组成结构是EPA系统通信实时性研究必须首先解决的问题，本文以下内容将对这个问题进行探讨。
1EPA数据传输报文结构分析
以太网有IEC8802-3和以太网封装两种帧格式，在此只分析IEC8802-3格式这一种，如图1所示。EPA应用访问实体与EPA系统管理实体的服务报文均采用UDP/IP协议传送。前同步码、目的地址、源地址、长度、DSAP、SSAP、Cntl、Orgcode字段是由于采用IEC8802-3协议而附加的字段。在EPA报文PDU格式中，TYPE字段是协议类型，长度为2个字节，值为0x88BC；IP Header是IP首部，长度为20个字节；UDP Header是UDP首部，长度为8个字节；EPA AppDATA是指EPA应用层数据；CRC是循环冗余校验和（Cyclic Redundancy Check），长度为4个字节；DATA_UNIT是数据单元，最小长度为46个字节。
通信开销指的是为了成功发送一个EPA数据报文而在通信过程中所附加的如地址字段、循环冗余校验码等信息所占的字节数，通信开销的大小由系统所采用的网络结构和各层的协议决定。从图1中可以看出，当采用IEC8802-3和UDP/IP协议时，EPA报文的传输开销为：
２调度报文结构分析
EPA系统的调度报文指的是为了保证确定性通信调度策略顺利进行发送的为调度服务的报文，包括非周期数据声明报文和非周期数据发送结束声明报文两种。以下分析这两种报文的组成结构。非周期数据发送声明报文格式如图2所示：
图2中，NPMA_TAG为非周期数据发送声明报文标识，长度为1字节，值为0x20。PRI为优先级（Priority），长度为1字节，表示下一个要发送的非周期报文优先级，0xFF表示队列中没有非周期报文发送。PAD表示填充字符，长度为44字节，取值固定为0x20。其他字段与EPA数据传输报文一致。如图2所示，非周期数据声明报文的帧长度Lf等于EPA报文传输开销Lc与NPMA_TAG、PRI和PAD字段长度之和，如公式（3）所示：
Ｌｆ＝Ｌｃ＋ＬＮ＋ＬＰ＋ＬＡ＝６２＋１＋１＋４４＝１０８（ｂｙｔｅ）（3）
式中的LN、LP、LA分别表示字段NPMA_TAG、PRI和PAD的长度。
非周期数据发送结束声明报文格式如图3所示：
其中，ENPMTA_TAG字段为非周期数据发送结束声明报文标识，长度为1字节，值为0x21。PRI字段为优先级（Priority），长度为1字节，表示下一个要发送的非周期报文优先级，0xFF表示队列中没有非周期报文发送。其他字段与非周期数据发送声明报文一致。如图3所示，非周期数据发送结束声明报文的帧长度Le等于EPA报文传输开销Lc与ENPMA_TAG、PRI和PAD字段长度之和，如公式（4）所示：
Ｌｅ＝Ｌｃ＋ＬＥ＋ＬＲ＋ＬＤ＝６２＋１＋１＋４４＝１０８（ｂｙｔｅ）（4）
式中的LE、LR、LD分别表示字段ENPMA_TAG、PRI和PAD的长度。
如公式（3）和公式（4）所示，EPA非周期数据声明报文和非周期数据发送结束声明报文的应用层数据各个字段都已经固定，所以其帧长度为固定的。
值得一提的是，根据IEC8802-3的规定，在以太网中传输的数据帧，如果是包括前同步码的情况下帧长小于72bytes的最小帧长，要将数据帧进行填充，使之达到72bytes的长度。但在EPA实时以太网中规定，EPA应（下转第135页）（上接第68页）用层数据最小为46字节，加上协议IEC8802-3和UDP/IP的传输开销，EPA的帧长小于72bytes是不可能的。所以以太网最小帧长的问题在EPA报文分析中可以不必考虑。
３结束语
由以上的探讨可见，EPA网络中除了一般的数据传输报文之外，还有保证确定性通信调度策略顺利进行的调度报文。对于数据传输报文而言，由于EPA系统的传输的数据最多的都是诸如变量发布、功能块的输入输出之类数据量很小的报文，所以报文的通信开销所造成的负荷相当可观。除此之外，调度报文的传输也是通信负荷的一个重要来源，当系统中非周期数据报文比较多的时候，非周期数据发送权会在多个设备之间频繁切换，这时发送的非周期数据发送结束声明报文会非常多，对系统的通信实时性造成较大影响。因此，优化EPA报文结构、改进确定性通信调度策略是提高系统通信实时性的一个重要研究方向。
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参考文献
［１］谢昊飞,李勇,王平,等.网络控制技术[M].机械工业出版社,2009.
［２］鲁立,冯冬芹,褚健,章涵.传输时延和时钟同步对以太网控制系统的影响[J].控制理论与应用,2010,27(6):793-798.
［责任编辑：杨玉洁］