Real-time performance of periodic data transmission in EPA industrial Ethernet

To evaluate and improve the real-time performance of Ethernet for plant automation（EPA） industrial Ethernet,the real-time performance of EPA periodic data transmission was theoretically and experimentally studied.By analyzing information transmission regularity and EPA deterministic scheduling mechanism,periodic messages were categorized as different modes according to their entering-queue time.The scheduling characteristics and delivery time of each mode and their interacting relations were studied,during which the models of real-time performance of periodic information transmission in EPA system were established.On this basis,an experimental platform is developed to test the delivery time of periodic messages transmission in EPA system.According to the analysis and the experiment,the main factors that limit the real-time performance of EPA periodic data transmission and the improvement methods were proposed.

Improving the real-time performance of Ethernet for plant automation(EPA) based industrial networks

Real-time Ethernet(RTE) control systems with critical real-time requirements are called fast real-time(FRT) systems.To improve the real-time performance of Ethernet for plant automation(EPA),we propose an EPA-FRT scheme.The minimum macrocycle of EPA networks is reduced by redefining the EPA network frame format,and the synchronization process is modified to acquire higher accuracy.A multi-segmented topology with a scheduling scheme is introduced to increase effective bandwidth utilization and reduce protocol overheads,and thus to shorten the communication cycle significantly.Performance analysis and practical tests on a prototype system show the effectiveness of the proposed scheme,which achieves the best performance at small periodic payload in large scale systems.

嵌入式EPA安全网桥的设计

根据EPA控制网络系统安全的要求,提出了一种跨越OSI模型多层安全机制的嵌入式EPA网桥设计方案。首先给出了嵌入式EPA网桥的工作原理及其功能结构,并结合EPA协议和嵌入式操作系统的多任务调度机制,提出了采用各微网段信息传输的逻辑隔离方法来实现EPA现场信息传输的安全性;最后给出一种嵌入式EPA安全网桥的硬件实施方案和网桥端口报文收发及基于安全机制报文信息处理的软件流程。测试结果表明,EPA安全网桥能够有效地保障现场设备层的报文转发和网络信息安全,并具有较低的报文转发延迟。

基于EPA的块数据流通信调度与控制

为了实现音视频向工业实时以太网(EPA)控制总线的业务融合,针对音视频传输特点,结合控制数据的实时性要求,提出一种基于EPA的通信调度算法.通过定义"块数据流",给出数学模型和网络约束条件,并将块数据流视为周期数据,以控制数据延时、块数据流自由周期和块数据流延时抖动为约束,规划宏周期调度;为了充分利用带宽,将同一数据块分割至多个宏周期以规划时间片.算法可保证EPA网络稳定性和控制实时性,且满足块数据流的流畅性需求.实际应用中将视频流与控制数据复合传输,结果表明,在不干扰控制数据传输的同时,延时抖动满足系统要求,算法有效性得到验证.

一种提高EPA系统运行效率的机制与实现方法

为了提高EPA(Ethernet for Plant Automation)测控系统的运行效率和通信性能,在EPA确定性通信调度的基础上,提出了EPA-CS(EPA Cycle Synchronization,周期同步)机制。该机制通过使实现控制功能的用户层功能块与实现数据传输功能的EPA通信达成周期同步,解决了功能块无效执行和数据无效传输的问题。提出了机制的原理,给出了用巡回扫描和定时器中断实现机制的方法。实验表明:该机制能够有效降低E P A系统的运行负荷与通信负荷,提高系统的运行效率和通信性能;巡回扫描和定时器中断两种方法实现该机制的效果都比较明显,定时器中断实现的效果更好一些。

EPA协议状态机的一致性测试方法及实现

以太网工厂自动化协议状态机的一致性测试方法,是将标准以太网工厂自动化服务原语序列作为激励输入被测协议实现,并检验其输出与预期输出是否一致,从而对以太网工厂自动化协议状态机实现与协议之间的一致性程度作出评判。针对以太网工厂自动化协议状态机状态变迁的约定,通过改变状态、获取状态和验证状态3个步骤,评判该协议状态机在状态变迁的条件、状态变迁的事件和具体状态所支持的操作3个方面与协议约定之间的一致性,从而使通过状态机一致性测试的不同协议实现之间的可靠互联概率得到提高。

EPA网络控制系统时钟同步主时钟控制算法研究

为满足EPA网络控制系统时间同步的高精度要求,由EPA子网通讯确定性调度机制构建虚拟链路,建立基于时钟精度差的多层次主时钟选择算法。引入IEEE1588时钟变量σPTP,动态调整时钟精度偏差(CPD:Clock Precision Difference)与时间值偏差(TVD:Time Value Difference)为权重的时钟优先级(CP),建立一种二维模糊控制器确定设备时钟性能优劣层次,而系统采用公平竞争的方法从众多现场设备中快速、准确地决策一个时钟性能最好的设备作为EPA系统的最佳主时钟,保证了系统运行的稳定性,降低了本地时钟的波动,使时钟同步精度提高到50微秒。

基于EPA的OPC服务器模型设计

针对EPA设备与其它标准设备间的互操作性问题,研究了OPC技术特点,在此基础上设计了基于EPA的OPC服务器模型并阐述了该模型。开发了一个基于OPC技术的无线监控系统,该系统的数据采集模块通过OPC服务器读取无线温度变送器的数据,验证了该设计的可行性。

EPA通信卡数据掉电保护的研究与实现

针对EPA通信卡的特点,讨论了EPA通信卡掉电保护的数据类型和保存时机,介绍了EPA通信卡的硬件结构以及Flash的划分,提出掉电保存与恢复的具体方案,并实现了相应的掉电保护程序。该方案已经在数种EPA智能仪表中得以应用,应用表明该方案能有效地实现对EPA通信卡中的现场数据的保存和恢复。

基于XML的EPA可扩展设备描述语言设计及应用

针对基于以太网工厂自动化网络控制系统中的现场设备互操作性问题,研究了可扩展标记语言的特点,在此基础上设计了可扩展设备描述语言,提出了基于可扩展设备描述语言的设备描述应用模型和设备描述文档模板。通过开发一个基于可扩展设备描述语言的以太网工厂自动化现场设备描述模块,将该模块嵌入到EPAS-tudio组态软件中,验证了该设计的可行性。

EPA协议抽象测试集的设计

根据IEC9646对协议测试的原理和说明,基于工业以太网(EPA)协议的通信特点及其要求,设计了EPA一致性测试中抽象测试集的层次结构模型,参照树表结合表示法(TTCN)的结构框架和思路定义了一种类形式化语言来描述EPA的抽象测试集,介绍了EPA抽象测试集的生成过程和实现步骤。通过EPA一致性测试系统的实际应用,证明EPA抽象测试集能够完整的包括EPA协议一致性测试的所有内容,根据此测试集设计的测试系统能够准确测试出被测协议实现是否与EPA标准一致。

用于EPA网络的实时调度方案

总结了现有网络控制系统(NCS)出现的问题和可行的解决方案.针对基于以太网传输的现场总线控制系统具有网络诱导时延,缺乏确定性和实时性的问题,提出了一种适用于EPA工业现场网络的精确实时调度设计方案.该方案通过时钟同步、时分多址调度增强系统通信的确定性,以并行处理报文信息的形式最大限度利用系统资源,达到更高的调度精度,并可以同时处理周期性出现和带有优先级的非周期出现的数据报文.基于FPGA的实验平台测试证明了此方案的有效性.

EPA实时以太网系统中控制与通信的同步方法

为了提高EPA(Ethernet for Plant Automation)系统的通信实时性能,在EPA确定性通信调度策略的基础上,提出了一种控制与通信的同步方法.该方法将EPA设备的通信宏周期划分为通信时间片和控制时间片;程序在每次巡回执行时获取当前时间,并根据当前时间是位于通信时间片内还是控制时间片内来决定执行通信任务还是控制任务;在执行控制任务时,使用设置和扫描状态标识的方式保证功能块在通信宏周期中的单次执行.实验表明,该方法能够有效避免EPA系统中功能块的无效执行和数据的无效传输,提高系统的通信实时性能.

FDT在EPA系统中的应用研究

针对EPA系统中基于XML的设备描述语言系统集成方案在描述仪表功能与参数可视化等方面的不足,提出了基于FDT技术的EPA系统集成模型并详细讨论了EPA通信DTM与EPA设备DTM的实现方法,最后在FDT框架应用程序中对所提出的系统集成模型及设计开发的EPA通信DTM与设备DTM进行验证.

EPA网络安全方案的设计与实现

EPA标准是我国第一个拥有自主知识产权并被认可的工业自动化领域的国际标准。在分析EPA网络安全威胁的基础上,结合EPA网络的安全需求,利用已有的信息安全技术,提出适用于EPA网络的安全机制,包括EPA设备鉴别、EPA访问控制、EPA完整性校验和EPA报文加密4种安全机制,从而构建EPA网络安全方案。通过搭建EPA安全系统,测试并验证EPA安全协议栈的安全性、计算开销、存储开销和时间开销。实验结果表明,以较小的代价极大地提高了EPA网络的安全性,有效保障EPA网络的可用性、完整性和保密性。

基于EPA的OPC服务器的开发研究

简单介绍了基于EPA的OPC服务器的模块构架,并详细阐述了OPC服务器开发过程中遇到的重要问题:多线程的应用、异步访问中的通报连接机制以及代理/存根动态连接库的实现方法。

EPA网络控制系统时延特性分析

EPA(Ethernet for Plant Automation)通过微网段划分和确定性调度策略解决了以太网的非确定性问题,实现了信息的实时传输。作为一种实时网络控制系统,网络时延特性是影响EPA控制性能的关键因素。在分析EPA信息结构和信息传输规律的基础上,研究了EPA微网段中信息传输网络时延的构成和各部分子时延的特性。通过分析确定性调度策略,对网络时延各部分中最重要的通信调度管理实体排队时延部分进行了重点研究,推导了周期报文和非周期报文排队时延的数学表达式,还建立了确定周期报文发送时间片和非周期报文发送时间片的数学模型。最后通过一个实例对相关分析进行了验证,找到了制约EPA网络时延特性的关键因素并提出了解决方案。

带EPA的低压直流伺服驱动器的设计与研究

以机器人一体化关节的运动控制为背景,提出了一种低压直流伺服的设计方法。在硬件设计上,突出两大特色:既可驱动直流有刷电机又可驱动直流无刷电机,拓宽了该直流伺服驱动器的应用范围;配备EPA(Ethernet for Plant Automation)实时以太网通讯接口,通讯速率高且数据传输的确定性和实时性好。在软件设计上,采用三环闭环控制,其中速度环的控制采用先进的单神经元自适应控制,稳定性好,鲁棒性强,实验结果证明该算法有效解决了负载扰动给系统造成的不稳定性。

EPA最佳主时钟的控制算法研究

为满足EPA网络时间同步的高精度要求,建立了一种二维模糊控制器来确定设备自身时钟的优劣层次,系统采用公平竞争的方法从众多现场设备中快速、准确地决策一个时钟性能最好的设备作为EPA系统的最佳主时钟,保证了系统运行的稳定性,降低了本地时钟的波动,使现场设备的时钟同步精度提高到50μs。

EPA协议确定性调度测试系统的研究与实现

基于EPA通信规范与EPA协议一致性测试规范,研究了对EPA网络进行确定性调度测试的方法,阐述了EPA网络确定性调度测试的实现技术。实践证明,开发的EPA协议确定性调度测试系统,可读取/修改目标设备的组态信息,可还原EPA网络上的报文传输情况,并能对EPA网络进行确定性调度测试。