EPA工业以太网带宽利用率研究

摘 要 EPA工业以太网的带宽利用率是影响其通信实时性能的关键指标。本文根据EPA确定性调度特征，分别对周期报文和非周期报文传输的带宽利用率进行了分析，建立了数学模型，并且提出了带宽利用率的测试方法以及改进措施。

【关键词】EPA 工业以太网 带宽利用率 确定性调度

1 引言

EPA（Ethernet for Plant Automation）是一种由中国自主研发的工业以太网技术，已经被现场总线国际标准收录。作为一种工业控制网络，EPA的带宽利用率是影响其通信实时性能的关键指标。带宽利用率过低不止意味着带宽的浪费，还会导致宏周期过长而降低数据更新频率。所谓带宽利用率，指的是EPA设备所实际应用的数据发送时间与分配时间片的比率。由于EPA系统的通信是按照确定性调度策略以宏周期为单位巡回执行，在一个宏周期中周期报文和非周期报文分别执行不同的调度策略，因此带宽利用率也应分周期带宽利用率和非周期带宽利用率分别研究。本文以下内容将会对其进行探讨。

2 周期带宽利用率

EPA对于周期报文的发送是以设备为单位进行，每个设备在预先配置的时间片中发送周期报文。EPA周期带宽利用率指的是一个设备在一个周期时间片中实际利用时间与配置时间片的比率，每个设备都有自己的带宽利用率。当设备检测到其周期时间片到达时，就将发送队列中的周期报文按照先进先出的原则依次发送到网络上。但需要注意的是，为了保证非周期报文的顺利发送，设备在发完周期报文后，还要发送1个数据量为108字节的周期数据发送声明报文（E报文）。因此，EPA周期带宽利用率指的是一个设备在一个宏周期中发送周期报文和E报文所实际应用的时间与配置时间片的比率，如下式所示：

（1）

式中，Si为设备i的周期带宽利用率；Hi为配置给设备i的周期时间片，此值在系统初始化配置时确定。Ki为设备i的周期实际利用时间，即发送周期报文和E报文所耗费的时间，可由下式确定：

（2）

式中，n为设备i所发送周期报文的数目，由于周期报文都是承载过程数据，在系统正常运行时，此值为定值； L为E报文发送耗时，由于E报文数据量固定为108字节，此值在确定的软硬件环境下可为定值；Rj为第j个周期报文的发送耗时，此值取决于设备的软硬件配置和报文的数据量，因此难以通过计算准确确定。但是Ki可以在系统运行时通过打时间戳的方法直接测试得到，方法如下：设备i检测到周期时间片到达时，打时间戳Tai，当E报文发送结束时，打时间戳Tbi，则设备i的周期数据实际利用时间为Ki=Tbi-Tai。将Ki代入公式（1）即可得到设备i的周期带宽利用率。

对于周期数据来说，系统正常运行时其发送数目和数据量都较为恒定，合理配置时间片是提高带宽利用率的关键环节。但是预先准确确定周期实际利用时间比较困难，所以在通过实际测试的基础上，建立时间片的动态或固定配置机制是提高周期带宽利用率的有效方法。

3 非周期带宽利用率

相对于周期报文，EPA系统中非周期报文的发送是以微网段为单位进行的，微网段中所有设备共享一个非周期时间片，因此，一个微网段只有一个非周期带宽利用率。需要注意的是，在非周期时间片中，各个设备除了发送非周期报文，为了竞争发送权，还需要发送数据量为108字节的非周期发送结束声明报文（F报文），发送数目取决于发送权在设备间的切换次数b。因此，EPA非周期带宽利用率指的是EPA微网段在宏周期中发送非周期报文和F报文所实际利用的时间与配置时间片的比率，如下式所示：

（3）

式中，Ti为微网段的非周期带宽利用率；Qi为配置的非周期时间片，此值在系统初始化配置时确定。P为非周期实际利用时间，即发送非周期报文和F报文所耗费的时间，由于EPA系统非周期报文的发送具有随机性，所以，该值无法通过计算得到，只能通过测试得出，方法如下：各个设备检测到非周期时间片到达时，记录当前时间A；然后在F报文发送或接收结束时，都记录当前时间，并且用该时间更新变量B，在宏周期中被最后一个F报文更新的变量B就是该宏周期的非周期报文发送结束时间，则P=B-A。将P代入公式（3）即可得出非周期带宽利用率。

对于非周期报文来说，其带宽利用率主要由所发非周期报文和F报文的数目和数据量以及配置的非周期时间片决定。提高非周期带宽利用率的关键环节仍然是配置较为合理的时间片。但由于非周期报文发送的随机性和偶然性，固定的时间片难以满足要求，建立非周期时间片的动态调整机制是一个比较可行的方法。

4 结论

根据以上探讨可见，不论是周期报文还是非周期报文，合理配置时间片是提高其带宽利用率的关键环节。因此，在对实际利用时间实时测试的基础上，建立时间片的动态调整机制是一个比较可行的方法。在此基础上，采用集总帧的方式将设备中发往同一目的站点的所有有效数据都集成在一个报文中发送，是一个减少数据报文和调度报文发送数目，提高系统通信性能的有效方法。

参考文献

[1]谢昊飞，李勇，王平，等.网络控制技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]林琳，刘宁.EPA工业以太网传输信息结构分析[J].科技视界，2015，1：68.

[3]刘宁，仲崇权，林瑶瑶.工业以太网非周期数据通信实时性分析[J].北京邮电大学学报，2014，37（1）：43-47.

作者简介

刘宁（1977-），男，博士学位。现为河南理工大学机械与动力工程学院讲师。主要研究方向为工业控制网络通信实时性研究。

通讯作者简介

林琳（1981-），女，学士学位。现为焦作市职业技术学校建经教学部助教，主要研究方向为结构工程和家庭总线技术的研究。

作者单位

1.河南理工大学机械与动力工程学院 河南省焦作市 454000

2.焦作市职业技术学校建经教学部 河南省焦作市 454000