【摘 要】 本文简述支持中国浙大中控集团、浙江大学自动化学院、中国科学院沈阳自动化所、重庆邮电大学自动化学院、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所提出的工业自动化通信网络TCP/IP-Ethernet一网到底成为国家与国际标准的理由。 【关键词】 实时性 安全性 保安性 非本安性 安全等级 Abstract: The paper simply describes the reasons of supporting EPA proposed by China uNIversities, academies and enterprises based on TCP/IP-Ethernet to be the GB and IEC standards in industrial process measurement and control field. Key words: Real Time Safety Security Non-Intrinsic Safety Level of Safety and Security1 IT发展的新方向与其标准化竞争 标准化是“全球化”中一个基本规则，同时也是一个国家知识壁垒的重要手段，所以各国的大跨国公司都在国际标准化组织中进行积极活动，谋求通过其根据本国利益与技术水平的国家标准为国际标准。[1,2] IT产业中的两项新技术——移动电话与Internet-WWW自1993年以来的十年中改变了社会的生活方式、经济模式与政府操作。中国是这两种新技术的最大市场。跨国公司在开放的中国13亿人的市场上，推出这两项新产品，叱咤风云，逐鹿中原。在这十年竞争中，尘埃落定显现了中国IT制造业可占领的大片市场。其最终的表现形式是国际电信联盟ITU最近通过的第三代移动通信国际标准中出现“三足鼎立”的局面：美国最先在1995年提出CDMA标准，之后欧共体与日本先后改进的WCDMA标准，以及最后由中国大唐公司为盟主的中国大学、研究所与企业联合开发与提出的TD-SCDMA，它得到Siemens公司的支持。现在IT产业从处理与传输纯信息发展到全面改造工业自动化。那么，这一市场的总销售将比手机更大。因为在中国是以汽车制造业带动能源业。全世界的电力工业要更新，核电工业要复兴，同时建筑大楼、小区、家居的全智能、自控化与信息化，推动IT产业向自动化领域发展。对于中国而言不能回避的经济规律是，由于中国是世界最大的需求市场，又是世界最大优质劳动力最廉价的提供市场，跨国公司竞相把制造厂迁向中国。从“两头在外”、OEM、独资、合资、到中资上市制造业公司在中国如雨后春笋地勃兴于中国的沿海，珠三角、长三角、环勃海湾、武汉地区、成渝地区等大量需求自动化工厂的地区。现在中国发展最快的汽车制造业都是外国品牌的合资大企业。其自动化的IT装备主要是：①德国SIEMENS的ASI+Profibus+Profinet+Ethernet；②日本三菱电机的CC-Link/LT+CC-Link+MESE-CNET+Ethernet；③德国Phoenix公司的INTERBUS+Ethernet。与汽车业同步发展的石油化工产业的自动化IT装备主要是：①美国EMERSON公司为主体SMAR、日本山武、恒河加盟的智能传感器与执行器+功能块+FF+Ethernet；②美国Rockwell为主日本OMRON加盟的Device-Net+ControlNet+EtherNet。在电力、核电方面以上两大体系混合采用。在建筑与住宅小区、IT化方面，主要有：①美国Echlon公司与欧洲Loytech公司的LONWorks+LONTalk+LONMark；②德国Siemens的EIB；③日本松下的Echo。在农业与养殖业方面以丹麦的P-NET为主。这些系统为成为IEC国际标准中进行了15年的竞争[3-5]，最后通过兼容包括了8个不同的标准，并到2000年通过了IEC61158国际标准。其中影响最大的次序是：1)FF，2)Profibus，3)ControlNet，4)Interbus，5)P-NET。然而，在中国市场上展开激烈角逐的IEC61158国际标准中，没有中国的任何一个国标(GB)进入。而第一个IEC/TC65对应的中国SAC/TC124行业标准(JB)是等同采纳IEC61158第二部分的Profibus。所以，中国人自己提出的GB去竞争IEC标准，在今天已势在必行。2 Ethernet-TCP/IP在自动化中的应用 法国Schneider 集团率先提出“透明工厂”的概念。他们放弃“ISO/OSI”，从1977年开始经许多专家的努力在1983年形成的正式文本《OSI参考模型》（OSI/RM）。这一传统标准，把工厂自动化的IT系统完全建立在数字通信及由于Internet-WWW快速发展而极为普及与开放的Ethernet-TCP/IP上。其实TCP/IP的普及得力于美国国防部的DARPA网、美国能源部的BITNET网、美国国家自然科学基金会的NFSNET网，并在1993年合并成为Internet的网络通信协议。1994年，欧洲19国联营的高能中心CERN开发的知识交流WWW软件在Internet上运行，后于1994年成为商用.com，教育用.edu，军用.mil，政府用.gov，非政府组织.org和国际用.int。并发展了远程教育，电子商务、电子政务……。由此可见Schneider的这一大胆尝试是有巨大的信息优势的收益者，但有什么风险呢？让我来比较一下ISO/OSI与TCP/IP的异同，它对于信息业与工业自动化的适配情况。3 TCP/IP与ISO/OSI比较 工业自动化与信息产业最本质的不同是前者不但要传输与处理信息而且要把信息转化成动作流程、能量流、物流。所以它的实时性、本安性、保安性要求比信息业高。在研究此问题时先比较一下TCP/IP与ISO/OSI。 如表1：表1
| ISO7498/OSI | TCP/IP |
| 7应用层 | 不同主机间文件传送、管理、虚拟终端 | 4应用层 | Telnet远程登录SMIP简单邮件传送协议NFS网络文件系统NIS网络信息系统SNMP简单网络管理协议FTP文件传输协议DNS域名系统TFTP普通文件传送协议 |
| 6表示层 | 把计算机内部表示转换成网络通信标准加密解密 |
| 5会话层 | 进程对话，同步服务，处理问题 | 3传输层 | 应用程序端到端通信，使信息格式化，确认，重传TCP（传输控制协议）UDP（用户数据协议） |
| 4传输层 | 分流、多用，差错控制，流量控制，使高层只感到点到点通信 | 2国际网层 | 不同计算机间通信的路由器IP（网络互联协议）ICMP（互联网控报文协议）ARP（地址解析协议）RARP（反向地址解析协议） |
| 3网络层 | 路由选择与控制 |
| 2链路层 | 送帧数据 | 1网络接口层 | 物理链接ETHERNET令牌环网…… |
| 1物理层 | 物理链接 |
TCP/IP的特点是：（1）协议标准开放，独立于计算机软件与网络系统，Internet的成功证明了这点；（2）统一地址规则，每一设备都有唯一的地址；（3）高层协议标准化，便利用户。TCP/IP的网际网络层互连（相当于ISO/OSI的网络层跨传输层）的主要设备有（1）中继器：连接两个同协议网络；（2）路由器：转换多种协议的网络互连，是最重要的设备；（3）网关：分属不同网络的路由器或计算机；（4）交换机：多协议转换功能的ATM、ETHER、三层、四层交换机。4 中国大学、中国科学院与制造业企业联合提出工业自动化标准 浙大中控集团、浙江大学自动化学院、中国科学院沈阳自动化所发起一个新的标准EPA
[9]，即Ethernet Plant Automation的标准。重庆邮电大学的自动化学院、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所也加盟制定。EPA标准的全称是“用于工业测量与控制系统的EPA系统结构和通信标准”。此标准包括有两个部分：①《工业自动化用无线现场设备通信协议》（20022129-T-604）由中国科学院沈阳自动化所承担；②《适用于
工业控制系统和自动化仪表的
以太网通信标准》（20022130-T-604）由浙江大学与浙大中控集团承担。重庆邮电大学自动化学院积极参予其中的蓝牙等无线现场设备与网络保安（Security）的研发。产生TCP/IP与ISO/OSI的出发点本来是不同的。前者是信息流传输与处理，后者是动作、能量、物质流由信息流来控制，所以在实时性与本安性方面不如后者。但是，其发展的高速、普及面之大，成本急降，特别是大量的信息技术与保安技术的积累，已经能够扬长避短克服实时性与本安性的不足而充分利用其优势。事实上ISO/OSI体制下IEC61158的常用4大系统中的上层都挂在Ethernet-TCP/IP网上。Schneider与浙江大学、浙大中控集团、中国科学院沈阳自动化所的基本思路是从上到下，由Ethernet-TCP/IP贯穿到底。5 EPA的基本思想与技术关键 EPA=（Ether网、无线局域网、蓝牙）+（TCP/IP）+（应用层）+（用户层）这“用户层”是相当于ISO/OSI 7层之上的“第8层”。其目标非常明确地对准中国大市场中的最大部分，实现：（1）实现工业控制设备由（Ether网、无线局域网、蓝牙）来互链、互操作，为此制定应用层规范。（2）不考虑本
安防爆（Intrinsic safety），因为绝大部分的中小企业与农业、养殖业应用中，尚不涉及本安防爆问题。（3）降低工业自动化IEC61158类
现场总线的开发难度与成本。使大多数仪器仪表企业能自行开发与应用现场总线技术。（4）实现工业企业管理控制一体化。为此，他们把研发锁定在解决上述TCP/IP不如ISO/OSI的几个技术难点上：（1）通信实时性技术（2）网络保安技术（3）可互操作技术（4）总线供电技术（5）本安技术（6）降低失效率提高可靠性技术（7）远程传输技术（8）抗干扰性解决这些难点中最关键的“实时化”与“保安”。基本思路是：（1）微网段化系统结构来限制信息流量，以提高实时性。（2）用防火墙、加密术反黑客术来克服由于高度开放性而带来的不安全性。a) 物理安全，防越权b) 加密认证c) 防火墙d) 网络安全漏洞扫描e) 网络入侵检测f) 备份与恢复g) “最小授权”原则h) 反黑客EPA的主要组成是：（1）EPA管理功模块（2）EPA保安功能块（3）EPA应用层服务（4）EPA套接字映射接口（5）EPA通信调度接口（6）EPA基于XML的设备描述6 epa实时性方案与技术的重要的特点 Ethernet-TCP/IP的特点是随时可发报文，但不讲究实时性。而工业自动化要求有实时性，实时性分两级ms级和祍级，Modbus/TCP用软件实现实时性达ms级这可满足80%的市场，Profinet用硬件实现实时性可达祍级，对20%市场的高价位系统有用。EPA采用以下措施实现实时性。①把在底层连接传感器与执行器的子网小型化，并隔离起来，尽量缩短其信息传输路径以保实时性。②改变TCP/IP上的报文发送随意性，使之周期化，由主机指令以避免 碰撞而提高发送实时性，它有优先权。对于网上发生的非周期报文，令其排队等待，在宏周期中分配它插入到优先的周期报文之后。③为此，要在Ethernet与TCP/IP之间，在标准允许的空间中插一个字符，让UDD分辨周期报文与非周期报文。EPA分三层，上层是信息层L3，中层是控制层L2，下层是现场层L1。①现场层有有线子网通过EPA网桥与L2联。②现场段通过网关与L2连，也有无线子网通过网桥与L2连。这有线（双绞线、同轴电缆、光缆）与无线（远程如卫星信道、近距为蓝牙）构成大网。7 ISO/IEC保安/安全标准等级与EAP标准的确立与升级 上述难题解决与研发有一过程，要有许多单位参与，开始之前要有一个共同认可的规则，这就是EPA中国国家标准与国际标准的价值。如何对待存在问题，根据下列标准：（1）保安准则标准发展过程是：1985年桔皮书，美国国防部提出《可信计算机评价准则》1991年ITSEC，欧共体提出《信息技术安全性评价准则》1993年CTCPEC，加拿大提出《可信计算机产品评价准则》1993年FC，美国联邦政府提出《评价准则》1993年CC，上述各方联合形成《国际通用准则》1999年CC，成为《ISO-CC-1999国际标准》（2）安全标准方面，1998年IEC发布《IEC-61508》国际标准是：《电气/电子/可编程电子安全系统的功能性安全》国际标准。其共同的精神是对Security（保安）与Safety（安全）划分等级，分别对系统整体、硬件、软件划分保安与安全等级。IEC61508第1部分的“整体安全”等级分两等各4级。定义“在执行所需要的设计功能时的平均失效概率”如表2：表2
| 等级 | 低要求 | 高要求 |
| 4 | ≥10-5到＜10-4 | ≥10-9到＜10-8 |
| 3 | ≥10-4到＜10-3 | ≥10-8到＜10-7 |
| 2 | ≥10-3到＜10-2 | ≥10-7到＜10-6 |
| 1 | ≥10-2到＜10-1 | ≥10-6到＜10-5 |
同样在ISO-CC-1999中对“保安”也有等级，如其前身欧盟提出的TCSEC标准，把保安分成4等8级。其中A等最高，D等最低。８ 外国同行的意见 我们与美洲和欧洲的同行专家交换了EPA国外同行的意见。首先，他们表示了兴趣；其次，他们表示支持的意见；第三，他们共同的建议是：（1）EPA在对应于ISO/OSI的最底层的Ethernet（IEEE/ITU/IEC/ISO标准802.2/802.3）与其上的IP/TCP-UPP（IETFS标准）之间不宜加超出标准的东西。加东西可能使TCP/IP/Ethernet与EPA有通信故障。所以建立EPA在Ethernet与IP/TCP-UD之间不加任何超出标准的东西，以便于MODBUS等其它间的通信保持畅通。因为，TCP/IP标准是IFETP组织发布的，其中有一些不明之处，所以最好以通常标准的Ethernet/IP/TCP/UDP结构搞。那么，EPA的创新与独特之处在那里呢？他们认为可以在ISO/OSI的第7层即应用层中与目前已成为IEC61784-1中由Rockwell提出的Devicenet-Controlnet-Ethernet中的最高层Ethernet以及Siemens公司提出ASI-Profibus-Profinet中的最高层Profinet对应；与目前正在准备申请IEC61784-2的Schneider电气的“透明工厂”中的MODBUS与RTPS（实时出版者和订购者）方案并列，构成由MODBUS、RTPS、RPA组成的IEC61784-2。从而形成由Rockwell与Siemens提出IEC61784-1，由Schneider-浙大中科院、重庆邮电学院提出的IEC61784-2的竞争，形成互补局面。（2）标准路线方面：IEC/TC65的官员们建议中国专家提出的EPA在向IEC/TC65/WG11提交时同时以PAS文件的方式提交给IEC/TC65的秘书组。（3）建议EPA向IEEE申请一个端口号。参考文献 [1] 戴红.《仪器仪表标准化与计量》. 2003(3):1[2] 戴红.《仪器仪表标准化与计量》. 2003(5):4[3] T.Sauter. 《仪器仪表标准化与计量》. 2002(3):20[4] T.Sauter. 《仪器仪表标准化与计量》. 2002(4):9[5] T.Sauter. 《仪器仪表标准化与计量》. 2002(5):12[6] O.Ulrichs. 《仪器仪表标准化与计量》.2001 (4):21[7] O.Ulrichs. 《仪器仪表标准化与计量》.2001(5):16[8] O.Ulrichs. 《仪器仪表标准化与计量》.2001(6):7[9] 冯冬芹、金建祥. EPA简介. 2003.11[10] 徐皑冬、王洪. 无线EPA. 2003.11[11] 王平. EPA保安. 2003[12]冯晓升、冯冬芹、梅恪. EPA与RTE向IEC/SC65C/WG11的建议书. 2003.12
