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《华南理工大学》 2011年
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CANopen网络应用的实时性和可靠性若干问题的研究

匡付华  
【摘要】:随着网络控制技术在各个领域中应用的逐渐增多,将网络引入到控制系统所带来的实时性和可靠性问题成为亟待解决的难题,也是当前网络控制系统研究领域中的热点课题。实时性是网络控制系统性能的重要体现之一,但网络协议往往达不到较高要求系统的实时性设计需求。此外,随着控制系统规模的不断扩展,网络控制系统带宽的受限特征也日趋显著,而带宽受限往往也会造成报文信息延迟、系统控制性能下降和资源的利用率降低等问题,从而无法保证网络控制系统的各项性能指标。有必要采用新的分析方法和调度策略对系统的实时性和可用资源进行研究,以实现网络控制系统的整体优化。同时,可靠性是自动控制系统最本质的特征之一。随着自动化控制系统变得越来越复杂,同时越来越多的应用场合对控制系统的可靠性提出了更高的要求,较高的系统可靠性逐渐成为控制系统最重要的设计目标之一。因此,对网络控制系统的实时性及其调度、网络的可靠性进行分析和研究不仅具有重要的理论价值,同时具有广泛的现实意义。 本文的课题得到了国家自然科学基金-广东联合基金重点项目(U0735003)和华南理工大学自动化科学与工程学院基于网络和现场总线实时控制实验室与易托付电气(苏州)有限公司的部分资助。本文采用理论分析、实际应用设计和实际工程项目设计相结合的方法,对基于CANopen网络控制系统的实时性和可靠性进行了研究。 本文对网络控制系统、现场总线技术和CAN总线技术进行了简要描述,重点介绍了CANopen网络的实时性和可靠性的研究现状及进展。在CAN实时性研究方面,本文通过实际工程平台,采用在线实时数据检测,对CANopen在应用中的实时性问题进行了评价。针对总线资源受限的问题,本文提出,采用灵活的量化调度方法提高系统的实时性。可靠性设计是网络控制系统研究的另一个重要方面,本文从实际应用角度,探讨了CANopen协议的具体实现,并对其在水电解制氢设备中的应用进行了相关研究。 本文研究工作的主要内容和创新点包括以下几个方面: 1.根据CAN的MAC层协议的时态特征,分析了CAN的实时能力、固有缺陷,提出了相应的改进方法。对实时性要求非常苛刻的场合,较细致的阐述了TTCAN(CAN的改进版本)的设计及实现。通过组建CANopen网络测试平台,在线检测了CAN报文的延迟时间,并分析了报文实际传输时延与理论分析上的差异,通过反复实验,验证了错误帧和网络负载是影响网络实时性的一个直接原因。 2.针对带宽受限的CAN网络控制系统的调度问题,提出了量化调度策略。通过对采样信号的量化处理,减少传输报文的长度,从而释放部分网络带宽,改善网络控制性能。本文提出通过采用动态改变均匀量化器的步长来实现对带宽受限下多控制回路的CAN总线系统进行有效调度的策略,本策略可推广到更一般的多回路共享网络资源的网络控制系统。 3.基于工业实际应用经验,分析了CANopen网络中提高控制系统可靠性的措施。特别分析了故障率最高的现场总线物理层保证可靠性的方案。针对干扰信号比较恶劣的情况,提出了使用H桥匹配终端来防止传输信号反射的方案。本文还研究了通过节点冗余、线路冗余和软件冗余来进一步提高系统可靠性的方案。 4.在分析CANopen协议的基础上,讨论了基于CANopen网络的I/O功能模块的具体实现问题。针对目前国内缺乏相关CANopen模块产品,自主设计并实现了基于CANopen协议的模块,包括CPU/DI/DO/AI/AO等模块,并分析了设计此系列模块印刷电路板过程中为提高可靠性所采用的一些措施。 5.基于CANopen网络的可靠性和实时性,提出了对现有使用PLC进行控制的水电解制氢设备进行CANopen网络改造的方案,并提出总线改造过程中的软硬件设计思路和设计方法。测试结果表明,由CANopen模块组成的控制系统具有实时性好、可靠性高、便于扩展、操作简单、价格低廉等优点,为CANopen网络在工业控制领域的应用提供了一种新的参考方法。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TP273

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