EPA工業以太網傳輸信息結構分析

林 琳劉 寧

（1.焦作市職業技術學校建經教學部，河南 焦作 454000；2.河南理工大學機械與動力工程學院，河南 焦作454000）

0 引言

以太網因為具有價格低廉、可靠性高等優點，成為工業控制網絡的發展方向[1]。但是，由于以太網采用CSMA/CD，并且采用1堅持BEB算法處理沖突，使以太網的通信時延具有不確定性 （即不具有實時性），限制了以太網在現場總線中的應用，因此，以太網技術必須經過改進才能勝任對時間要求嚴格的工業自動化控制網絡的要求。

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以太網的實時通信控制系統解決方案，是我國第一個擁有自主知識產權的現場總線國家標準，并有望被列入現場總線國際標準IEC61158（第四版）。[1-3]

為了達到控制與監控等任務的要求，EPA系統中的信息在網絡上傳輸時，應有可預測的，確定的時延，也就是信息傳輸必須具有實時性[4-5]。EPA通過確定性通信調度策略來實現上述目的，為了保證確定性通信調度策略的順利進行，網絡中除了要發送數據報文之外，還要發送非周期數據聲明和非周期數據發送結束聲明等調度報文。報文的組成結構決定了數據傳輸的通信量，對網絡中的通信負荷具有較大影響。因此，分析EPA系統的報文組成結構是EPA系統通信實時性研究必須首先解決的問題，本文以下內容將對這個問題進行探討。

1 EPA數據傳輸報文結構分析

以太網有IEC8802-3和以太網封裝兩種幀格式，在此只分析IEC8802-3格式這一種，如圖1所示。EPA應用訪問實體與EPA系統管理實體的服務報文均采用UDP/IP協議傳送。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協議而附加的字段。在EPA報文PDU格式中，TYPE字段是協議類型，長度為2個字節，值為0x88BC；IP Header是IP首部，長度為20個字節；UDP Header是UDP首部，長度為8個字節；EPA AppDATA是指EPA應用層數據；CRC是循環冗余校驗和 （Cyclic Redundancy Check），長度為4個字節；DATA_UNIT是數據單元，最小長度為46個字節。

通信開銷指的是為了成功發送一個EPA數據報文而在通信過程中所附加的如地址字段、循環冗余校驗碼等信息所占的字節數，通信開銷的大小由系統所采用的網絡結構和各層的協議決定。從圖1中可以看出，當采用IEC8802-3和UDP/IP協議時，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應用層數據）長度LT和通信開銷Lc之和，如公式（2）所示：

L＝LT＋Lc＝LT＋62（byte） （2）

當一個報文的應用層數據長度確定時，代入公式（2）即可得出報文的幀長度。

2 調度報文結構分析

EPA系統的調度報文指的是為了保證確定性通信調度策略順利進行發送的為調度服務的報文，包括非周期數據聲明報文和非周期數據發送結束聲明報文兩種。以下分析這兩種報文的組成結構。非周期數據發送聲明報文格式如圖2所示：

圖2 EPA非周期數據聲明報文格式

圖2中，NPMA_TAG為非周期數據發送聲明報文標識，長度為1字節，值為0x20。PRI為優先級（Priority），長度為1字節，表示下一個要發送的非周期報文優先級，0xFF表示隊列中沒有非周期報文發送。PAD表示填充字符，長度為44字節，取值固定為0x20。其他字段與EPA數據傳輸報文一致。如圖2所示，非周期數據聲明報文的幀長度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。

非周期數據發送結束聲明報文格式如圖3所示：

圖3 EPA非周期數據發送結束聲明報文格式

其中，ENPMTA_TAG字段為非周期數據發送結束聲明報文標識，長度為1字節，值為0x21。PRI字段為優先級（Priority），長度為1字節，表示下一個要發送的非周期報文優先級，0xFF表示隊列中沒有非周期報文發送。其他字段與非周期數據發送聲明報文一致。如圖3所示，非周期數據發送結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非周期數據聲明報文和非周期數據發送結束聲明報文的應用層數據各個字段都已經固定，所以其幀長度為固定的。

值得一提的是，根據IEC8802-3的規定，在以太網中傳輸的數據幀，如果是包括前同步碼的情況下幀長小于72bytes的最小幀長，要將數據幀進行填充，使之達到72bytes的長度。但在EPA實時以太網中規定，EPA應

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.