網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)第6章-工業(yè)以太網(wǎng)課件

1、內(nèi)容提要6.1 工業(yè)以太網(wǎng)與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)6.2 IEC61784-2標(biāo)準(zhǔn)6.3 IEC61784-1/2與IEC611586.4 EPA技術(shù)簡介6.5 ProfiNet技術(shù)簡介6.6 HSE技術(shù)簡介6.1 工業(yè)以太網(wǎng)與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)多個(gè)現(xiàn)場總線并存的局面給用戶帶來了互聯(lián)、互可操作性等許多困擾，與此同時(shí)，以太網(wǎng)在商業(yè)領(lǐng)域取得巨大成功并幾乎統(tǒng)一了企業(yè)的管理層網(wǎng)絡(luò)，近些年已經(jīng)開始在底層控制網(wǎng)絡(luò)得到應(yīng)用。 21世紀(jì)初，工業(yè)以太網(wǎng)開始成為工業(yè)界研究的熱點(diǎn)，出現(xiàn)了像HSE、PROFINET、EPA等有影響力的工業(yè)（實(shí)時(shí)）以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)就是考慮到現(xiàn)場總線的實(shí)時(shí)性與以太網(wǎng)通信技術(shù)相結(jié)合，建立的適合于工業(yè)自

2、動(dòng)化并有實(shí)時(shí)能力的以太網(wǎng)總線。 6.1 工業(yè)以太網(wǎng)與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)的含義是指對一個(gè)給定的應(yīng)用，保證在一個(gè)確定的時(shí)間內(nèi)控制系統(tǒng)能對信號做出響應(yīng)，而以太網(wǎng)由于采用CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制機(jī)制，而具有通信不確定性的特點(diǎn)。提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，其中的關(guān)鍵問題在于提高以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。 通常，人們習(xí)慣上將用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)統(tǒng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)。但是按照國際電工委員會(huì)SC65C的定義，工業(yè)以太網(wǎng)是用于工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境，符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，按照IEEE 802.1D-”介質(zhì)訪問控制（MAC）網(wǎng)橋”規(guī)范和IEEE 802.1Q-”局域網(wǎng)虛擬網(wǎng)橋”規(guī)范，對其沒有進(jìn)行任何實(shí)時(shí)擴(kuò)展而實(shí)現(xiàn)的以太網(wǎng)。

3、6.2 IEC61786-2標(biāo)準(zhǔn) 2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作組，旨在適應(yīng)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)市場應(yīng)用需求，制定實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用行規(guī)國際標(biāo)準(zhǔn)。 IEC/SC65C在IEC61158（工業(yè)控制系統(tǒng)中現(xiàn)場總線的數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)）的基礎(chǔ)上制定的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用行規(guī)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61786-2 。2005年3月IEC實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系列標(biāo)準(zhǔn)作為PAS文件（表6-1所示）通過了投票，并于2005年5月在加拿大將IEC發(fā)布的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系列PAS文件正式列為實(shí)時(shí)以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61786-2。 6.2 IEC61786-2標(biāo)準(zhǔn)Ethernet/IP 1998年初，ControlNet國際組織CI開發(fā)了

4、由ControlNet和DeviceNet共享的、開放的和廣泛接受的基于 Ethernet的應(yīng)用層規(guī)范。 2000年底CI、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì)（IEA）和開放的DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會(huì)（ODVA，Open DeviceNet Vendor Association）組織提出EtherNet/IP的概念 EtherNet/IP技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)芯片，并采用有源星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將一組裝置點(diǎn)對點(diǎn)地連接至交換機(jī)，而在應(yīng)用層則采用已在工業(yè)界廣泛應(yīng)用的開放協(xié)議控制和信息協(xié)議CIP，CIP控制部分用來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O通信，信息部分用來實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)的報(bào)文交換。 Ethernet/IP圖6-1 Ethernet/IP

5、通信協(xié)議模型PROFINETROFINET是在西門子公司的支持下由PROFIBUS 開發(fā)而成的。 它的第一文本僅僅是非時(shí)間要求通信的以太網(wǎng)接口的設(shè)備和通過PROXY 網(wǎng)關(guān)連結(jié)的實(shí)時(shí)性通信的PROFIBUS-DP設(shè)備的結(jié)合體。 2004年開始開發(fā)與制定新的版本標(biāo)準(zhǔn)，提出了對IEEE 802.1D和IEEE 1588進(jìn)行實(shí)時(shí)擴(kuò)展的技術(shù)方案，并對不同實(shí)時(shí)要求的信息采用不同的軟件和硬件的實(shí)時(shí)傳輸方法。 PROFINET的第三版本采用了IRT (Isochronous Real-Time)等時(shí)同步實(shí)時(shí)的ASIC芯片的硬件方法來實(shí)現(xiàn)具有數(shù)據(jù)同步傳輸功能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，以進(jìn)一步縮短通信棧軟件的處理時(shí)間，

6、PROFINETEtherCAT EtherCAT是由德國自動(dòng)化控制公司Beckhoff開發(fā)的，并且在2003年底成立了ETG工作組，目前有130個(gè)成員。 EtherCAT是一個(gè)可用于現(xiàn)場級的超高速I/O網(wǎng)絡(luò)，它使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層和常規(guī)的以太網(wǎng)卡，介質(zhì)可為雙絞線或光纖。 一般常規(guī)的工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸方法都采用先接收通信幀，進(jìn)行分析后作為數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)模塊的通信方式，而EtherCAT的以太網(wǎng)協(xié)議幀中已經(jīng)包含了網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)。EtherCAT協(xié)議幀如圖6-2所示。 EtherCAT圖6-2 EtherCAT協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu) EtherCAT圖6-3 EtherCAT通信協(xié)議模型 Et

7、hernet Powerlink Ethernet Powerlink是由奧地利Bernecher&Rainer控制公司開發(fā)的，在2002年4月公布了Ethernet Powerlink標(biāo)準(zhǔn)，其主攻方面是同步驅(qū)動(dòng)和特殊設(shè)備的驅(qū)動(dòng)要求。 圖6-4 Powerlink通信協(xié)議模型EPA 浙江大學(xué)牽頭，重慶郵電大學(xué)作為第四核心成員制定的新一代現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)-用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA通信標(biāo)準(zhǔn)（簡稱EPA標(biāo)準(zhǔn)）成為我國第一個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并被IEC認(rèn)可的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)（IEC/PAS 62409），并作為實(shí)時(shí)以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61748-2（與PROFINET、Ethernet/IP并

8、列，見表6-1）與現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158第四修訂版(與FF、PROFIBUS見表6-2)進(jìn)行制定。 MODBUS-RTPS ODBUS-RTPS是由MODBUS組織和IDA (Interface for Distributed Automation)集團(tuán)聯(lián)手開發(fā)的基于Ethernet TCP/IP和Web互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。 2005年開始，MODBUS- RTPS成為PAS文件。其實(shí)時(shí)擴(kuò)展的方案是為以太網(wǎng)建立一個(gè)新的實(shí)時(shí)通信應(yīng)用層，采用一種新的通信協(xié)議RTPS(Real-Time Publish/Subscribe)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信 。MODBUS-RTPS圖6-5 MODBUS

9、-RTPS協(xié)議模型圖6.3 IEC61786-1/2與IEC611582005年11月在美國正式啟動(dòng)現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158第四版的修訂工作，IEC 61786-2均納入IEC 61158第四版。 根據(jù)IEC/TC SC65C計(jì)劃，現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158（第四版）和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)用行規(guī)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC617842，均于2006年10月進(jìn)入CDV投票期，2007年6月進(jìn)入FIDS投票期，2007年10月通過投票正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)（International Standard,IS）。 6.3 IEC61786-1/2與IEC611586.4 EPA技術(shù)簡介EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是一種全新

10、的適用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的開放性實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。 用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA通信標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過TC124/SC4的技術(shù)審查，成為我國第一個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是中國工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域第一個(gè)被國際認(rèn)可和接收的標(biāo)準(zhǔn)。2005年12月，EPA正式進(jìn)入現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158 PAS文件。2007年正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。6.4 EPA概述2001年10月，由浙江大學(xué)牽頭，以浙大中控為主，清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、中科院沈陽自動(dòng)化所、重慶郵電學(xué)院、TC124等單位聯(lián)合承擔(dān)國家“863”計(jì)劃CIMS主題重點(diǎn)課題“基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備”，開始制定EPA標(biāo)準(zhǔn)。 2002年1

11、0月，浙大中控“基于以太網(wǎng)的EPA網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及其控制系統(tǒng)”項(xiàng)目通過了浙江省科技廳組織的技術(shù)鑒定。 2003年1月，EPA國家標(biāo)準(zhǔn)起草工作組成立。4月，在EPA標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，課題組開發(fā)了基于EPA的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)原型驗(yàn)證系統(tǒng)，并在杭州龍山化工廠的聯(lián)堿碳化裝置上成功試用。 6.4 EPA概述2004年5月，EPA標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）通過國家標(biāo)委會(huì)的審核。11月，“EPA基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備”榮獲第六屆上海國際工業(yè)博覽會(huì)創(chuàng)新獎(jiǎng)。 2005年2月EPA通信協(xié)議順利通過IEC各國家委員會(huì)的投票，正式成為IEC/PAS 62409文件。12月，EPA被正式列入現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 6

12、1158（第四版）中的第十四類型 。2006年6月進(jìn)入CDV投票期，2007年1月進(jìn)入FIDS投票期，2007年8月作為國際標(biāo)準(zhǔn)（International Standard,IS）正式出版。 6.4.1 EPA概述EPA技術(shù)特點(diǎn)：（1）確定性通信 周期與非周期信息同時(shí)存在有限的時(shí)間響應(yīng) 信息流向具有明顯的方向性，通信關(guān)系比較確定。 根據(jù)組態(tài)方案，信息的傳送遵循嚴(yán)格的時(shí)序 傳輸?shù)男畔⒘可?，信息長度比較小 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較為平穩(wěn) 6.4 EPA概述（2）“”網(wǎng)到底 實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化智能工廠系統(tǒng)中從底層的現(xiàn)場設(shè)備層到上層的控制層、管理層的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)基于以太網(wǎng)技術(shù)的統(tǒng)一 解決信息的互通問題，即信息

13、的互相識(shí)別、互相理解和互可操作。 為用戶層應(yīng)用程序定義了應(yīng)用層服務(wù)與協(xié)議規(guī)范，包括系統(tǒng)管理服務(wù)、域上/下載服務(wù)、變量訪問服務(wù)、事件管理服務(wù)等。 采用XML擴(kuò)展標(biāo)記語言為EPA設(shè)備描述語言，規(guī)定了設(shè)備資源、功能塊及其參數(shù)接口的描述方法 6.4 EPA概述（3）開放性 （4）分層的安全策略 （5）冗余 6.4.1 EPA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 6.4.1 EPA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微網(wǎng)段 一個(gè)微網(wǎng)段即為一個(gè)控制區(qū)域，用于連接幾個(gè)EPA現(xiàn)場設(shè)備。在一個(gè)控制區(qū)域內(nèi)，EPA設(shè)備之間互相通信，實(shí)現(xiàn)特定的測量與控制功能。一個(gè)微網(wǎng)段通過一個(gè)EPA網(wǎng)橋與其他微網(wǎng)段相連。 EPA設(shè)備 EPA主設(shè)備 過程監(jiān)控級L2網(wǎng)段上的EPA設(shè)備

14、，具有EPA通信接口，不要求具有控制功能塊或功能塊應(yīng)用進(jìn)程。 EPA現(xiàn)場設(shè)備 處于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境的設(shè)備，如變送器、執(zhí)行器、開關(guān)、數(shù)據(jù)采集器、現(xiàn)場控制器等 6.4.1 EPA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)EPA網(wǎng)橋 1）通信隔離 2）報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)與控制無線EPA接入設(shè)備無線EPA現(xiàn)場設(shè)備EPA代理 6.4.2 EPA通信協(xié)議 EPA通信協(xié)議模型 6.4.2 EPA通信協(xié)議EPA系統(tǒng)管理實(shí)體用于管理EPA設(shè)備的通信活動(dòng)，將EPA網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)設(shè)備集成為一個(gè)協(xié)同工作的通信系統(tǒng)。 EPA系統(tǒng)管理實(shí)體支持設(shè)備聲明、設(shè)備識(shí)別、設(shè)備定位、地址分配、時(shí)間同步、EPA鏈接對象管理、即插即用等功能。 為支持這些功能，EPA系統(tǒng)管理實(shí)體

15、還規(guī)定了EPA通信活動(dòng)所需的對象和服務(wù)。 EPA系統(tǒng)管理實(shí)體 6.4.2 EPA通信協(xié)議EPA應(yīng)用訪問實(shí)體描述通信對象、服務(wù)以及與上下層接口的關(guān)系模型。 為組成一個(gè)功能塊應(yīng)用進(jìn)程的所有功能塊實(shí)例間的通信提供通信服務(wù)，這些服務(wù)包括域上載/下載服務(wù)、變量訪問服務(wù)、事件管理服務(wù)。 通過這些服務(wù)，組成功能塊應(yīng)用進(jìn)程的功能塊實(shí)例之間就可以實(shí)現(xiàn)測量、控制值傳輸，下載/上載程序，發(fā)出事件通知、處理事件等功能。 EPA應(yīng)用訪問實(shí)體 6.4.2 EPA通信協(xié)議EPA應(yīng)用進(jìn)程 6.4.2 EPA通信協(xié)議EPA通信調(diào)度管理實(shí)體用于對EPA設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送報(bào)文的調(diào)度管理。 采用分時(shí)發(fā)送機(jī)制，按預(yù)先組態(tài)的調(diào)度方案，對E

16、PA設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的周期報(bào)文與非周期報(bào)文發(fā)送時(shí)間進(jìn)行控制，以避免碰撞 ；EPA周期報(bào)文按預(yù)先組態(tài)的時(shí)刻發(fā)送；EPA非周期報(bào)文按時(shí)間有效以及報(bào)文優(yōu)先級和EPA設(shè)備的IP地址大小順序發(fā)送。所謂時(shí)間有效，是指在一個(gè)通信宏周期內(nèi)的剩余時(shí)間足以將該非周期報(bào)文完整發(fā)送出去。在時(shí)間有效的情況下，優(yōu)先級高的報(bào)文先發(fā)送；如果兩個(gè)設(shè)備的非周期報(bào)文優(yōu)先級相同，則IP地址小的EPA設(shè)備先發(fā)送非周期報(bào)文。 6.4.2 EPA通信協(xié)議EPA管理信息庫SMIB存放了系統(tǒng)管理實(shí)體、EPA通信調(diào)度管理實(shí)體和應(yīng)用訪問實(shí)體操作所需的信息，在SMIB中，這些信息被組織為對象。如設(shè)備描述對象描述了設(shè)備位號、通信宏周期等信息，鏈接對象

17、則描述了EPA應(yīng)用訪問實(shí)體服務(wù)所需要的訪問路徑信息等。 6.4.2 EPA通信協(xié)議EPA套接字映射實(shí)體提供EPA應(yīng)用訪問實(shí)體以及EPA系統(tǒng)管理實(shí)體與UDP/IP軟件實(shí)體之間的映射接口，同時(shí)具有報(bào)文優(yōu)先發(fā)送管理、報(bào)文封裝、響應(yīng)信息返回、鏈路狀況監(jiān)視等功能。 6.4.3 EPA應(yīng)用層通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)EPA應(yīng)用層通信協(xié)議棧 6.4.3 EPA應(yīng)用層通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)EPA應(yīng)用層各模塊關(guān)系圖 6.4.3 EPA應(yīng)用層通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)EPAMIB：EPA管理信息庫類。此類保存EPA協(xié)議棧中的通用對象，如設(shè)備描述對象、時(shí)間同步對象、鏈接對象等。EPA設(shè)備的相關(guān)信息都可以通過此類的操作完成。

18、此類只能被實(shí)例化一次。 EPAManageBlock：EPA管理實(shí)體類。提供EPA管理服務(wù)，包括設(shè)備聲明、設(shè)備查詢、設(shè)備查詢請求應(yīng)答、設(shè)備屬性讀、設(shè)備屬性寫、設(shè)備屬性清除六個(gè)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。此類只能被實(shí)例化一次。EPASocketMappingObject：EPA套接字映射實(shí)體類。EPA應(yīng)用層與Socket的接口，并提供對報(bào)文的優(yōu)先級緩存，和報(bào)文監(jiān)視功能。它接受應(yīng)用層實(shí)體的報(bào)文，將其按優(yōu)先級先后發(fā)送給套接字；同時(shí)從套接字接收報(bào)文，判斷報(bào)文類型，將其上傳給相應(yīng)的應(yīng)用層實(shí)體。 6.4.3 EPA應(yīng)用層通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)EPASocket：EPA套接字類。用于收發(fā)報(bào)文。 EPADomain：EPA域

19、對象。提供域?qū)ο蟮牟僮鳌?EPADomainManager：EPA域管理類。提供對EPA設(shè)備中域?qū)ο蟮墓芾砉δ?，同時(shí)提供域上載和下載服務(wù)。EPAEvent：EPA事件對象類。提供事件對象的操作。 EPAEventManager：EPA事件管理類。提供對EPA設(shè)備中事件對象的管理功能，同時(shí)提供事件通知服務(wù)、事件通知確認(rèn)服務(wù)、改變事件條件監(jiān)視服務(wù)。 EPAVariable：EPA變量對象。提供變量對象的操作。 EPAVariableManager：EPA變量管理類。提供對EPA設(shè)備中變量對象的管理功能，同時(shí)提供變量讀、變量寫、信息分發(fā)服務(wù)。EPASNTP：EPA時(shí)間同步類。負(fù)責(zé)EPA設(shè)備的時(shí)鐘同步

20、。 EPADHCP：EPADHCP類。用于EPA現(xiàn)場設(shè)備上電后IP地址的獲取。 EPA通信發(fā)起方順序 EPA通信接收方順序EPA管理信息庫 EPA管理信息庫EPA設(shè)備描述對象描述了EPA設(shè)備的基本屬性，如設(shè)備標(biāo)識(shí)ID、設(shè)備類型、設(shè)備位號、IP地址等。通過EPA設(shè)備管理服務(wù)，用戶應(yīng)用程序可獲得該設(shè)備的基本屬性，或者對該設(shè)備的屬性進(jìn)行設(shè)置。為實(shí)現(xiàn)EPA網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的時(shí)間同步，EPA設(shè)備內(nèi)維護(hù)一個(gè)本地當(dāng)前時(shí)間Current Time，通過時(shí)間同步，使其與時(shí)間服務(wù)器的系統(tǒng)時(shí)間（System Time）之間的誤差小于同步精度要求，即認(rèn)為本地設(shè)備與時(shí)間服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了同步。本地時(shí)間由時(shí)間同步對象維護(hù)。 證實(shí)服務(wù)

21、最大響應(yīng)時(shí)間描述了證實(shí)服務(wù)響應(yīng)的超時(shí)時(shí)間，超過該時(shí)間沒有收到響應(yīng)報(bào)文，則認(rèn)為對方未收到，需要重傳。EPA通信調(diào)度管理對象描述了EPA通信調(diào)度管理所需的信息。用戶可通過應(yīng)用訪問實(shí)體的讀寫命令進(jìn)行訪問。設(shè)備應(yīng)用信息對象類對EPA設(shè)備中的應(yīng)用信息進(jìn)行描述。主要指XDDL版本號。 EPA管理信息庫功能塊應(yīng)用應(yīng)用信息對象首部類對功能塊應(yīng)用信息對象的數(shù)目、第一個(gè)功能塊應(yīng)用信息對象的起始索引等進(jìn)行了描述。所有的鏈接對象都應(yīng)該放在EPA管理信息庫中。為了便于對鏈接對象的維護(hù)，在管理信息庫中加入一個(gè)鏈接對象首部來描述所有的鏈接對象信息，包括設(shè)備中鏈接對象的個(gè)數(shù)，第一個(gè)鏈接對象在系統(tǒng)管理信息庫中的索引。域應(yīng)用信息

22、對象首部類描述了EPA管理信息庫中的域應(yīng)用對象。包括對象個(gè)數(shù)、索引，已組態(tài)和未組態(tài)的信息等。功能塊應(yīng)用信息類描述了一個(gè)功能塊類的應(yīng)用信息。包括功能塊名稱、實(shí)例化個(gè)數(shù)、執(zhí)行時(shí)間。EPA鏈接對象類描述了功能塊實(shí)例之間輸入/輸出參數(shù)的訪問路徑，包括本地功能塊實(shí)例標(biāo)識(shí)、本地參數(shù)對象標(biāo)識(shí)、遠(yuǎn)程功能塊實(shí)例標(biāo)識(shí)、遠(yuǎn)程參數(shù)對象標(biāo)識(shí)以及數(shù)據(jù)發(fā)送所使用的服務(wù)、本地設(shè)備的角色等。域應(yīng)用信息類描述了一個(gè)域?qū)ο蟮膽?yīng)用信息。有索引號、組態(tài)狀態(tài)、對象名稱。 EPA管理信息庫的存儲(chǔ)和訪問 每個(gè)對象有唯一的ID編號的特點(diǎn)，可以使用散轉(zhuǎn)表（HASH）的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。ID號為19的基本信息存儲(chǔ)在08號索引點(diǎn)，ID號從2000開始的功能

23、塊應(yīng)用對象存儲(chǔ)在9號索引點(diǎn)，而多個(gè)功能塊之間使用鏈表方式連接在一起域?qū)ο蠛玩溄訉ο笸瑯犹幚恚@樣的映射關(guān)系非常簡單，也可以很好的解決不同設(shè)備具體實(shí)現(xiàn)時(shí)對象個(gè)數(shù)不確定的問題，既對管理信息庫模塊進(jìn)行了封裝，又可以不降低訪問的效率。 EPA管理信息庫的存儲(chǔ)和訪問EPA管理信息庫的存儲(chǔ)和訪問邏輯關(guān)系 EPA應(yīng)用訪問實(shí)體 應(yīng)用訪問實(shí)體服務(wù)主要供功能塊應(yīng)用進(jìn)程使用，用于功能塊之間的數(shù)據(jù)交換。此類服務(wù)最終由功能塊應(yīng)用進(jìn)程處理，主要分為以下三大類別： 域管理 域(Domain)是指存儲(chǔ)器的一部分，可以用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序。它的數(shù)據(jù)類型是8位位組串。對于域?qū)ο蟮牟僮髦饕猩陷d和下載兩種服務(wù)。上載服務(wù)用于從設(shè)備中上

24、載數(shù)據(jù)，而下載服務(wù)主要用于下載數(shù)據(jù)到EPA設(shè)備中。對于一個(gè)域?qū)ο?，同時(shí)只允許一個(gè)上載或下載服務(wù)訪問。 事件管理事件管理的主要功能是從一個(gè)EPA設(shè)備發(fā)送重要的事件信息到一個(gè)或多個(gè)設(shè)備。EPA事件管理主要提供了事件報(bào)告 (EventNotification )、事件確認(rèn)(AcknowledgeEventNotjficatjon)和改變事件條件監(jiān)視(Alter Event Condition Monitor)3種服務(wù)。 變量訪問變量訪問模型提供了對變量對象的讀寫訪問。包括3種服務(wù)：讀、寫、信息分發(fā)。讀服務(wù)用來讀取變量的具體數(shù)值；寫服務(wù)用來設(shè)置變量的具體數(shù)值；信息分發(fā)服務(wù)用于傳送簡單變量、數(shù)組變量和結(jié)

25、構(gòu)變量的具體數(shù)值。它主要用于現(xiàn)場設(shè)備的功能塊之間的輸入輸出參數(shù)的相互傳遞。 EPA系統(tǒng)管理實(shí)體 設(shè)備識(shí)別 EPA網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)設(shè)備都有三個(gè)標(biāo)識(shí)符：設(shè)備ID、物理設(shè)備位號（PD Tag）和設(shè)備冗余號（Redundancy Number），組態(tài)程序或其它設(shè)備可以通過這三個(gè)標(biāo)識(shí)符來識(shí)別一個(gè)設(shè)備。設(shè)備ID（Device ID）建立了設(shè)備的硬件身份，它由設(shè)備的制造商設(shè)定并在可見范圍內(nèi)設(shè)為唯一，它在EPA管理系統(tǒng)和EMSIB中是可見的，但不能被修改。對設(shè)備組態(tài)時(shí)，每個(gè)設(shè)備都被分配一個(gè)物理設(shè)備位號（PD Tag）。在同一個(gè)EPA網(wǎng)絡(luò)上，物理設(shè)備位號唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)物理設(shè)備。但冗余設(shè)備可以有相同的設(shè)備位號。引入設(shè)備

26、位號使得物理設(shè)備的標(biāo)識(shí)更加直觀和方便，也便于EPA網(wǎng)絡(luò)上硬件設(shè)備的更新。設(shè)備冗余號（Redundancy Number）用于區(qū)分冗余設(shè)備?；槿哂嗟脑O(shè)備具有相同的物理設(shè)備位號，它們之間的區(qū)別就可以通過設(shè)備冗余號來實(shí)現(xiàn)。 EPA系統(tǒng)管理實(shí)體地址分配 在EPA網(wǎng)絡(luò)上，EPA設(shè)備的IP地址可以靜態(tài)設(shè)置或通過DHCP協(xié)議動(dòng)態(tài)分配。動(dòng)態(tài)分配IP地址時(shí)，EPA設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上啟動(dòng)后，首先通過動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）從DHCP服務(wù)器獲得一個(gè)IP地址。IP地址的動(dòng)態(tài)分配過程完全按照DHCP協(xié)議進(jìn)行，但有一個(gè)限制，設(shè)備一旦從DHCP服務(wù)器獲得IP地址，就可無限期使用這個(gè)地址，除非設(shè)備斷電，設(shè)備下次啟動(dòng)時(shí)，重新分

27、配IP地址。 EPA系統(tǒng)管理實(shí)體對象定位 EPA網(wǎng)絡(luò)上的物理設(shè)備由網(wǎng)絡(luò)地址（即IP地址）或設(shè)備位號來定位，它們在EPA網(wǎng)絡(luò)中均唯一。而EPA設(shè)備中的功能塊對象則通過功能塊位號（FB_Tag）或功能塊實(shí)例標(biāo)識(shí)ID（FB_ID）來定位，功能塊位號和功能塊實(shí)例標(biāo)識(shí)ID在每個(gè)EPA設(shè)備中是唯一的，但不一定在整個(gè)EPA網(wǎng)絡(luò)中唯一。對EPA功能塊實(shí)例對象中參數(shù)對象的定位通過其ElementID定位，該ElementID每個(gè)EPA功能塊實(shí)例中是唯一的，但不一定在整個(gè)EPA設(shè)備中唯一。EPA管理提供了一條EM_FindTagQuery服務(wù)，用戶組態(tài)程序可以通過物理設(shè)備位號來查詢某個(gè)物理設(shè)備的IP地址。用戶組態(tài)

28、程序也可以使用EM_GetDeivceAttibute服務(wù)發(fā)送請求，通過EPA設(shè)備的應(yīng)答來獲得該設(shè)備的位號以及其它信息。EM_FindTagQuery服務(wù)可以通過單播或多播的方式在EPA網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布。接收到該服務(wù)的物理設(shè)備檢查服務(wù)參數(shù)中的位號，如果該位號與本地的物理設(shè)備位號相符，就通過Find Tag Reply服務(wù)返回其IP地址或設(shè)備位號，以及設(shè)備標(biāo)識(shí)ID。EM_GetDeivceAttibute服務(wù)通過單播方式在EPA網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布。 EPA系統(tǒng)管理實(shí)體增加或刪除設(shè)備 把一個(gè)新設(shè)備加入EPA網(wǎng)絡(luò)上，當(dāng)它獲得一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址（可通過靜態(tài)設(shè)置，或通過DHCP協(xié)議由DHCP服務(wù)器動(dòng)態(tài)分配）后，通過EM_D

29、eviceAnnunciation服務(wù)向EPA網(wǎng)絡(luò)上廣播一個(gè)設(shè)備聲明消息，這條消息通過該設(shè)備的（DeviceID）對此設(shè)備進(jìn)行識(shí)別。此后，用戶組態(tài)應(yīng)用程序接收到該設(shè)備的聲明消息后，識(shí)別該設(shè)備在EPA網(wǎng)絡(luò)中的角色，并使用SetDeviceAttribute服務(wù)發(fā)送一條設(shè)備屬性設(shè)置消息來設(shè)置該設(shè)備的位號PD_Tag和其它組態(tài)信息，設(shè)備處于可操作（Operatable）狀態(tài)。此時(shí)這個(gè)新設(shè)備已經(jīng)有足夠的組態(tài)信息加入到EPA網(wǎng)絡(luò)并接收其余的組態(tài)信息。當(dāng)設(shè)備電源關(guān)掉或掉電時(shí)，EPA設(shè)備可以保留它所有的組態(tài)信息。當(dāng)它重新上電時(shí)，可通過EM_FindDeviceQuery獲得一個(gè)位號。 EPA系統(tǒng)管理實(shí)體時(shí)鐘

30、同步 根據(jù)需要，EPA系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備可以維護(hù)一個(gè)本地時(shí)間，用于為本地的每個(gè)事件打上時(shí)間戳，或用于分布在不同EPA設(shè)備中的功能塊之間的執(zhí)行調(diào)度。為此，需要為EPA設(shè)備間保持時(shí)鐘同步。EPA設(shè)備之間的時(shí)鐘同步可以通過簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP）或精確時(shí)間同步協(xié)議（PTP）來實(shí)現(xiàn)的。本地設(shè)備的EPA管理功能塊每隔一定的周期向系統(tǒng)時(shí)鐘服務(wù)器發(fā)送時(shí)鐘同步請求，通過時(shí)鐘服務(wù)器的響應(yīng)來保持本地時(shí)間和系統(tǒng)時(shí)間。 EPA系統(tǒng)管理實(shí)體EPA鏈路管理 兩個(gè)EPA功能塊之間需要交換數(shù)據(jù)，一個(gè)功能塊的輸出參數(shù)值要傳送到另一個(gè)功能塊的輸入?yún)?shù)，需要在這兩個(gè)功能塊的輸入、輸出參數(shù)之間建立確定的鏈接關(guān)系，這種鏈接關(guān)系由EP

31、A網(wǎng)絡(luò)中的鏈接對象來維護(hù)，即由鏈接對象指定功能塊參數(shù)之間的訪問路徑。通過鏈接對象定義，一個(gè)EPA設(shè)備中的功能塊應(yīng)用進(jìn)程可以決定哪個(gè)輸出參數(shù)需要發(fā)布，發(fā)送到哪些設(shè)備，并且可以決定發(fā)布數(shù)據(jù)、報(bào)警和趨勢信息是如何發(fā)送出去的。當(dāng)一個(gè)EPA功能塊執(zhí)行完畢后，其產(chǎn)生的輸出參數(shù)（或事件）如要傳送到其它功能塊或監(jiān)控應(yīng)用程序時(shí)，就從與其相應(yīng)的EPA鏈接對象中查找到其發(fā)送目的地（即目的輸入?yún)?shù)所在的EPA設(shè)備標(biāo)識(shí)、設(shè)備IP地址、功能塊實(shí)例標(biāo)識(shí)以及目的參數(shù)的元素標(biāo)識(shí)），并將其本地源信息（即數(shù)據(jù)源所在的EPA設(shè)備標(biāo)識(shí)、功能塊實(shí)例標(biāo)識(shí)以及目的參數(shù)的元素標(biāo)識(shí)）一起，作為原語，調(diào)用EPA應(yīng)用層服務(wù)，將數(shù)據(jù)傳送到目的地。 E

32、PA系統(tǒng)管理實(shí)體設(shè)計(jì)EPA系統(tǒng)管理實(shí)體用于管理EPA設(shè)備的通信活動(dòng)，將EPA網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)設(shè)備集成為一個(gè)協(xié)同工作的通信系統(tǒng)。 EPA設(shè)備狀態(tài)包括無地址、未組態(tài)和已組態(tài)三種狀態(tài)。當(dāng)EPA設(shè)備處于無地址狀態(tài)時(shí)，就需要等用戶靜態(tài)設(shè)置，或通過DHCP協(xié)議向DHCP服務(wù)器動(dòng)態(tài)申請IP地址。設(shè)備通過DHCP協(xié)議獲得IP地址后，其下一個(gè)狀態(tài)是未組態(tài)狀態(tài)，還是已組態(tài)狀態(tài)，取決于設(shè)備掉電時(shí)所處的狀態(tài)。如果設(shè)備掉電時(shí)的狀態(tài)為已組態(tài)狀態(tài)，那么設(shè)備再次在網(wǎng)絡(luò)上上電啟動(dòng)時(shí)，獲得IP地址后，設(shè)備進(jìn)入可操作狀態(tài)。否則，設(shè)備進(jìn)入未組態(tài)狀態(tài)。 EPA系統(tǒng)管理實(shí)體設(shè)計(jì)未組態(tài)狀態(tài)可能從無地址狀態(tài)而來，它也可能是處理完一個(gè)報(bào)文，清除設(shè)

33、置信息的結(jié)果。當(dāng)處于該狀態(tài)時(shí)，EPA管理功能塊使用特定的組播IP地址和聲明端口，以缺省聲明間隔向EPA網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送設(shè)備聲明報(bào)文，并監(jiān)聽組態(tài)報(bào)文。用戶組態(tài)程序可通過FindTagQuery，SetDeviceAttribute和ClearDeviceAttribute等服務(wù)查找或組態(tài)EPA設(shè)備，EPA設(shè)備收到這些報(bào)文后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚?，就可自?dòng)進(jìn)入已組態(tài)（Configured）狀態(tài)，開始正常操作。已組態(tài)狀態(tài)是EPA設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。只有當(dāng)EPA設(shè)備進(jìn)入已組態(tài)狀態(tài)時(shí)，才能完成EPA應(yīng)用層提供的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)各種預(yù)訂的控制功能。 EPA系統(tǒng)管理實(shí)體設(shè)計(jì)EPA系統(tǒng)管理實(shí)體設(shè)計(jì)設(shè)置設(shè)備屬性和清除設(shè)備屬性服

34、務(wù)的順序圖 EPA系統(tǒng)管理實(shí)體設(shè)計(jì)EPA應(yīng)用層服務(wù)功能模塊EPA套接字映射實(shí)體工作過程IEEE802.3/IEEE802.11/IEEE802.15等EPA設(shè)備1EPA套接字映射接口UDPIPEPA應(yīng)用層服務(wù)功能模塊EPA設(shè)備2EPA套接字映射接口UDPIPEPA鏈接對象EPA鏈接對象6.4.4 EPA時(shí)間同步技術(shù)PTP技術(shù)背景 PTP系統(tǒng)模型 PTP同步原理 PTP報(bào)文格式 PTP技術(shù)背景在過去幾年中，一些研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)組織一直在研究測量和控制設(shè)備之間的時(shí)鐘同步的技術(shù)，以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的協(xié)調(diào)工作。 2000年他們成立了一個(gè)專門從事時(shí)間同步問題標(biāo)準(zhǔn)化的委員會(huì)（屬于TC9 Techni

35、cal Committee on Sensor Technology標(biāo)準(zhǔn)化組織）。 2002年他們提交的標(biāo)準(zhǔn)正式通過了IEEE 的評審，從而奠定了IEEE1588（即精確時(shí)間同步協(xié)議PTP：Precision Clock Synchronization）的國際地位。 PTP技術(shù)背景IEEE1588協(xié)議在起草過程中主要參考以太網(wǎng)，通過采用多播技術(shù)來完成控制系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器以及其他終端設(shè)備中的亞微秒級時(shí)間同步。 該協(xié)議對內(nèi)存及CPU性能沒有特殊的要求，只需要有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬即可。這樣，對控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中配置不太高的現(xiàn)場設(shè)備也能滿足它們對實(shí)時(shí)性高的要求。近期， 許多公司開始提出基于IEEE1588

36、的控制芯片或者平臺(tái)，如飛思卡爾的PowerQUICC 平臺(tái)，可編程邏輯供應(yīng)商Altera推出據(jù)稱是業(yè)內(nèi)首款三速以太網(wǎng)媒體接入控制(MAC)IP內(nèi)核，支持IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)。我國2008年中興開發(fā)的北斗取代國外GPS同步系統(tǒng)。PTP系統(tǒng)模型 IEEE1588時(shí)鐘同步的PTP系統(tǒng)組成 PTP子域的時(shí)鐘端口模型 從端口:同步于主端口的普通時(shí)鐘端口或邊界時(shí)鐘的一個(gè)PTP端口外部接入點(diǎn)，同步從時(shí)鐘的主端口稱為從時(shí)鐘的雙親端口。從端口必須處于PTP_SLAVE狀態(tài)。主端口:可能是普通時(shí)鐘端口或邊界時(shí)鐘的一個(gè)PTP端口外部接入點(diǎn)充當(dāng)主端口。主端口必須處于PTP_MASTER或PTP_PRE_MASTE

37、R狀態(tài)。 最高級主端口: 最高級主端口可能是普通時(shí)鐘端口或邊界時(shí)鐘的一個(gè)PTP端口外部接入點(diǎn)的端口。在整個(gè)PTP子域中，如果時(shí)鐘只有單一的主端口而沒有其它的端口，那么它就是最高級主端口。它必須處于PTP_MASTER 狀態(tài)。 PTP子域的時(shí)鐘端口模型未校正端口:它是在普通時(shí)鐘端口或一個(gè)邊界時(shí)鐘的PTP端口外部接入點(diǎn)的端口中的、還沒有確定主時(shí)鐘的、處于PTP_LISTENING或PTP_UNCALIBRATED狀態(tài)的端口。被動(dòng)端口:一個(gè)端口指明為被動(dòng)的端口，必須處于PTP_PASSIVE狀態(tài)，被動(dòng)端口使得PTP協(xié)議避免循環(huán)拓?fù)洹?PTP普通時(shí)鐘協(xié)議模型 基于以太網(wǎng)通信技術(shù)的普通時(shí)鐘協(xié)議模型 缺省

38、數(shù)據(jù)集：描述了本地時(shí)鐘的固有屬性，當(dāng)本地時(shí)鐘成為網(wǎng)絡(luò)中的主時(shí)鐘時(shí)需要使用此數(shù)據(jù)集的相關(guān)屬性。 當(dāng)前數(shù)據(jù)集：描述本地時(shí)鐘與當(dāng)前主時(shí)鐘關(guān)聯(lián)屬性。 雙親數(shù)據(jù)集：描述了本地時(shí)鐘關(guān)聯(lián)主時(shí)鐘的關(guān)鍵屬性，主要用于數(shù)據(jù)集比較和選擇最優(yōu)主時(shí)鐘。 全局時(shí)間數(shù)據(jù)集：描述PTP協(xié)議對時(shí)間的相關(guān)約定。 端口配置數(shù)據(jù)集：提供本地時(shí)鐘的網(wǎng)絡(luò)通信端口的基本配置信息，在封裝數(shù)據(jù)報(bào)文的時(shí)候往往需要使用此數(shù)據(jù)集。 外來主時(shí)鐘數(shù)據(jù)集：主要統(tǒng)計(jì)主時(shí)鐘的摘要信息。 PTP同步原理 PTP協(xié)議中的最佳主時(shí)鐘算法 該方法使一個(gè)本地時(shí)鐘決定它能看到的哪一個(gè)時(shí)鐘是所有當(dāng)中最好的(包括它自身) 該算法獨(dú)立于每個(gè)端口，在每個(gè)端口選擇出比較好的時(shí)鐘之

39、后，又將這些較好的時(shí)鐘進(jìn)行比較，最后確定出一個(gè)最好的時(shí)鐘，那么它就是主時(shí)鐘。 由二個(gè)部份所組成：數(shù)據(jù)集比較算法，它計(jì)算一個(gè)二元關(guān)系數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集和二個(gè)時(shí)鐘端口關(guān)聯(lián)一個(gè)是狀態(tài)決策算法，它的作用是根據(jù)被選擇出來的主時(shí)鐘的數(shù)據(jù)集來更新本地的數(shù)據(jù)集和更改每個(gè)時(shí)鐘的PTP狀態(tài)。 數(shù)據(jù)集比較算法 時(shí)鐘數(shù)據(jù)集存在于每個(gè)時(shí)鐘以及收發(fā)的同步報(bào)文中。對于每個(gè)現(xiàn)場設(shè)備時(shí)鐘來說，時(shí)鐘數(shù)據(jù)集被規(guī)定用來作為協(xié)議的決策和對報(bào)文域賦值。它是有若干成員項(xiàng)的集合，這些集合能夠反映和時(shí)鐘有關(guān)的很多屬性。 數(shù)據(jù)集比較算法主要是分析數(shù)據(jù)集A和數(shù)據(jù)集B中的時(shí)鐘變量值、最高級主時(shí)鐘的層次、報(bào)文中間路由的次數(shù)、主時(shí)鐘是否優(yōu)先選擇標(biāo)記等關(guān)鍵

40、變量的性能，把數(shù)據(jù)集A和數(shù)據(jù)集B中這些關(guān)鍵變量的值加以比較，為系統(tǒng)從這些數(shù)據(jù)集選出質(zhì)量最好的同步報(bào)文。 數(shù)據(jù)集比較算法狀態(tài)決策算法 采用狀態(tài)決策算法來判斷當(dāng)前PTP協(xié)議引擎所處的狀態(tài)，其中時(shí)鐘C0的缺省數(shù)據(jù)集以D0表示，Ebest是通過使用數(shù)據(jù)集比較算法得來的時(shí)鐘C0的最優(yōu)同步報(bào)文，Erbest是時(shí)鐘C0的第r號通信端口的最優(yōu)報(bào)文。 狀態(tài)決策算法PTP報(bào)文格式 同步報(bào)文（Sync Message）。通常，它是主時(shí)鐘通過多播的形式發(fā)送到共享信道上的信息，它里面含有本報(bào)文發(fā)送時(shí)刻的估計(jì)值以及相關(guān)的主時(shí)鐘的特征信息。 跟隨報(bào)文（Follow_Up Message）。有些時(shí)候，系統(tǒng)并不能精確估計(jì)同步報(bào)

41、文發(fā)送的時(shí)間，這時(shí)就可以發(fā)送一條跟隨報(bào)文，它里面含有同步報(bào)文發(fā)送的精確時(shí)間，以避免出現(xiàn)時(shí)間抖動(dòng)。 延遲請求報(bào)文（Delay_Req Message）。當(dāng)本地系統(tǒng)檢測不到它與某個(gè)主時(shí)鐘的通信延遲或者通信延遲發(fā)生了變化，這個(gè)時(shí)候，往往需要發(fā)送帶有延遲請求的報(bào)文，它通常含有發(fā)送延遲請求報(bào)文的時(shí)間值。 PTP報(bào)文格式延遲響應(yīng)報(bào)文（Delay_Resp Message）。主時(shí)鐘在收到從時(shí)鐘延遲請求報(bào)文后，把接收到延遲請求報(bào)文的時(shí)間封裝在延遲響應(yīng)報(bào)文中，發(fā)送到網(wǎng)上。 管理報(bào)文（Management Message）。它主要用來管理、配置系統(tǒng)中的各個(gè)時(shí)鐘。 PTP報(bào)文格式PTP報(bào)文頭格式 PTP報(bào)文格式ve

42、rsionPTP、versionNetwork在目前的PTP協(xié)議中應(yīng)設(shè)置為1，其中versionPTP 字段表示PTP協(xié)議的版本號，versionNetwork字段表示PTP協(xié)議使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的版本號。 subDomain字段表示子域名，它占有16個(gè)字節(jié)。PTP協(xié)議中共定義了四種子域：缺省域、可選域0、可選域1、可選域2。其中，缺省域?qū)?yīng)ASCII碼串“_DLFT”、可選域0對應(yīng)“_ALT1”、可選域1對應(yīng)“_ALT2”以及可選域2對應(yīng)“_ALT3” 。 MsgType字段主要用來區(qū)分PTP報(bào)文類型，值為1時(shí)，表示協(xié)議報(bào)文為同步（Sync）報(bào)文或延遲請求（Delay_Req）報(bào)文，值為2時(shí)

43、，表示協(xié)議報(bào)文或?yàn)檠舆t響應(yīng)（Delay_Resp）報(bào)文，或?yàn)楦S（Follow_Up）報(bào)文，或?yàn)楣芾恚∕anagement）報(bào)文。 PTP報(bào)文格式SrcCmTgy表明源PTP節(jié)點(diǎn)使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。跟在它之后的是6個(gè)字節(jié)的源PTP節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘標(biāo)識(shí)符（SrcUUID），標(biāo)識(shí)符在PTP系統(tǒng)中應(yīng)該是唯一的。接下來是源時(shí)鐘端口號（sourcePortId）和報(bào)文序列號（sequenceId）。很顯然，僅有MsgType來標(biāo)識(shí)PTP協(xié)議類型是不夠的，因此，PTP協(xié)議定義另一個(gè)字段control，表給出control標(biāo)識(shí)不同報(bào)文類型的情況。 PTP報(bào)文格式Flags它是一個(gè)占有2個(gè)字節(jié)的位串，定義如圖所示。SB

44、（sync_burst）位置1，表明節(jié)點(diǎn)在收到突發(fā)的同步報(bào)文或跟隨報(bào)文時(shí)，會(huì)對其進(jìn)行相應(yīng)的處理。ST（parent_stats）置1，表示本從時(shí)鐘支持對它的父類主時(shí)鐘的評價(jià)工作。EX（ext_sync）位置1，表明它支持發(fā)送同步報(bào)文。AS（assist）置1，表明具有處理跟隨報(bào)文follow_up的能力。BC（boundary clock）置1，意味著它是邊界時(shí)鐘。LI_59標(biāo)志位置1表明當(dāng)天的最后1分鐘有59秒，而LI_61標(biāo)志位置1表明當(dāng)天的最后1分鐘有61秒。 同步與時(shí)延請求報(bào)文格式 跟隨報(bào)文格式 延遲響應(yīng)報(bào)文格式 6.4.5 EPA確定性調(diào)度技術(shù) EPA通信調(diào)度管理實(shí)體用于對EPA設(shè)備

45、向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送報(bào)文的調(diào)度管理。EPA通信調(diào)度管理實(shí)體采用分時(shí)發(fā)送機(jī)制，按預(yù)先組態(tài)的調(diào)度方案，對EPA設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的周期報(bào)文與非周期報(bào)文發(fā)送時(shí)間進(jìn)行控制，保證在任意時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)上都只有一個(gè)報(bào)文在傳輸，以避免碰撞，同時(shí)保證了EPA周期報(bào)文和優(yōu)先級高的非周期報(bào)文優(yōu)先發(fā)送，加強(qiáng)了實(shí)時(shí)性。 EPA數(shù)據(jù)鏈路層模型 EPA確定性調(diào)度原理 EPA協(xié)議將所有報(bào)文分優(yōu)先級，采用基于時(shí)間片調(diào)度和基于優(yōu)先級調(diào)度相結(jié)合的算法。 EPA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所有EPA報(bào)文均高于其他不符合本協(xié)議的報(bào)文。不符合本協(xié)議的報(bào)文是指符合ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICMP、IGMP等協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文。 EPA標(biāo)準(zhǔn)采用以太網(wǎng)幀格式

46、中長度/類型（LENGTH/TYPE）字段，通過向IEEE注冊分配的特定值（0 x88CB）標(biāo)識(shí)EPA報(bào)文。 EPA確定性調(diào)度原理EPA確定性調(diào)度原理示意圖 確定性調(diào)度的實(shí)現(xiàn) EPA確定性調(diào)度以時(shí)鐘同步為基礎(chǔ)，每個(gè)EPA設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)上的主時(shí)鐘為基準(zhǔn)，維護(hù)本地時(shí)間，使之與主時(shí)鐘之間的同步誤差保持在較小的范圍之內(nèi)（微秒級別以下）。這樣網(wǎng)絡(luò)上所有設(shè)備的本地時(shí)間也就達(dá)到一致，從而確保了調(diào)度狀態(tài)轉(zhuǎn)換的一致性，EPA報(bào)文才能按照約定的規(guī)程發(fā)送，避免了沖突、錯(cuò)序等。確定性調(diào)度實(shí)現(xiàn)方案主要涉及通信調(diào)度實(shí)體的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制和報(bào)文的緩存機(jī)制兩個(gè)方面。 通信調(diào)度實(shí)體狀態(tài)轉(zhuǎn)換 鏈路層報(bào)文收發(fā)流程 報(bào)文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法 周

47、期隊(duì)列 非周期隊(duì)列 聲明隊(duì)列 周期隊(duì)列非周期隊(duì)列聲明隊(duì)列6.4.6 面向工業(yè)以太網(wǎng)的總線供電技術(shù) 隨著總線供電技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，特別是IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的制定，推動(dòng)了這項(xiàng)技術(shù)的廣泛使用，總線供電技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)也得到了普遍的認(rèn)可。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：僅需一套局域網(wǎng)布線系統(tǒng)連接到終端設(shè)備（無需電源布線系統(tǒng)），簡化了安裝程序、節(jié)省了空間； 集中式供電，無需額外電源，也不會(huì)延誤終端設(shè)備的安裝進(jìn)度，節(jié)約了時(shí)間、降低了費(fèi)用； 6.4.6 面向工業(yè)以太網(wǎng)的總線供電技術(shù)能與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)無縫集成； 易于安裝，可安裝于與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相同的配線間及相同的布線面板； 設(shè)備移動(dòng)方便，可以移到任何

48、有局域網(wǎng)線的地方移動(dòng)對工作場所影響最??； 更安全增加的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無需交流電源； 可對連接到以太網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。 IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)簡介 電氣電子工程師協(xié)會(huì)IEEE于2003年6月批準(zhǔn)了以太網(wǎng)供電PoE（Power over Ethernet）標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3af。 PoE技術(shù)是指對現(xiàn)有的以太網(wǎng)CAT-5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不用做任何改動(dòng)的情況下，借助一根常規(guī)以太網(wǎng)線纜在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)供應(yīng)電力，從而保證該線纜在為以太網(wǎng)終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)信號的同時(shí)，還能為此類設(shè)備提供直流供電的能力。 實(shí)際上，任何需要數(shù)據(jù)連接并能在13W或更低功率下工作的設(shè)備都可采用以太網(wǎng)供電技術(shù)。 IEEE802.3a

49、f標(biāo)準(zhǔn)簡介在PoE系統(tǒng)中，提供電源的設(shè)備被稱為供電設(shè)備(PSE: Power Sourcing Equipment)，而使用電源的設(shè)備稱為受電設(shè)備(PD：Powered Device)。以太網(wǎng)供電的主要設(shè)備是PSE，它負(fù)責(zé)對PD的檢測、分級、上電、 斷路檢測等功能。當(dāng)某個(gè)PD被加載，PSE必須用一個(gè)有限功率的測試源來檢查25k的特征電阻，PSE首先用2.8V至10V的探測電壓去偵測是否有PD接入，具體實(shí)施時(shí)是將2.8V至10V之間的兩個(gè)電壓（間隔在1V或以上）送到網(wǎng)絡(luò)鏈路，然后根據(jù)得到的兩個(gè)不同的電流值再作運(yùn)算（V/I），通常我們將此方法稱為兩點(diǎn)檢測法。 IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)簡介一旦偵測

50、到有效的PD，PSE就利用一個(gè)15.5V至20.5V的探測電壓來檢測PD的功率級別。PD通過從線上吸收一個(gè)恒定電流(分級特征信號)來向PSE表明自己所需的最大功率，PSE測量這個(gè)電流以確定PD屬于哪個(gè)功率級別，在IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中，分級功能為可選項(xiàng)。成功偵測和分級后，PSE就可向PD供電了。供電期間，PSE還要對每個(gè)端口的供電情況進(jìn)行監(jiān)視，提供欠壓和過流保護(hù)。 IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)簡介PSE不能向非PD設(shè)備傳輸電力，同樣PSE也不能在PD已經(jīng)斷開后還使電源處于接通狀態(tài)，因?yàn)楣╇婋娎|有可能會(huì)插在一個(gè)非PD設(shè)備上，或引起線纜的短接。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種方法讓PSE檢測PD是否斷開，即DC

51、斷路檢測法和AC斷路檢測法DC斷路法根據(jù)從PSE流向PD的直流電流大小，從而判斷PD是否在線。當(dāng)電流在給定時(shí)間(300ms到400ms)內(nèi)保持低于閾值(5mA到10mA)，PSE就認(rèn)為PD不存在，從而切斷電源。AC斷路法是測量以太網(wǎng)端口的交流阻抗，當(dāng)沒有設(shè)備連接到PSE時(shí)，端口應(yīng)該是高阻抗，可能達(dá)到幾兆歐；而當(dāng)接有PD時(shí)，端口的阻抗會(huì)小于26.5k；如果PD消耗大量功率，那么阻抗通常會(huì)更低。 IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)簡介標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種類型的PSE，一種為中跨式PSE(Mid-span PSE)，這種設(shè)備一般和無供電功能的集線器等設(shè)備放在一起使用；一種為端接式PSE(Endpoint PSE)，這種設(shè)備一般和集線器等設(shè)備集成在一起，構(gòu)成具有供電和通信能力的單獨(dú)設(shè)備使用。 在IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中，PD主要作為標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別的設(shè)備，當(dāng)PSE發(fā)出各種檢測信號時(shí)，PD將各種符合標(biāo)準(zhǔn)的信號返回，從而完成整個(gè)供電過程。在供電時(shí)PD還必須維持功率特征，發(fā)送持續(xù)工作信號，防止PSE切斷電源。 基于LTC4257的PD接口電路 基于LTC4259A的Mid-span PSE系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 基于LTC4257的PD接口電路全