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《电子科技大学》 2004年
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实时宽带现场网络技术研究

陈慧  
【摘要】:现场总线控制系统(FCS)是一种典型的分布式实时控制系统。现场总线作为FCS的核心和重要组成部分,其实时性和可靠性是保证FCS功能有效实现的关键。随着FCS的发展和广泛应用,传统现场总线在传输速率、开放性、性价比等方面的问题逐渐暴露出来。为此,工业控制领域需要找到一种既具备强实时性、高可靠性和性价比,又支持网络信息一体化建设的宽带现场通信技术。本论文以此为目标展开了理论上和实践上的研究,取得了若干有用的成果,并有所突破。 论文首先对分布式实时计算机系统进行了详细的论述,分析了分布式实时系统的结构、特点和时间限制要求,认为网络传输的实时性和可靠性是满足端到端时间限制的关键。进一步深入研究了分布式实时系统的通信架构和实时通信局域网的基本实现技术。紧接着分析了实时容错技术的实现途径、工作方式和要求,讨论了实时调度的基本原理和研究状况,详细介绍了实时操作系统的功能和结构,理清了研究和建立分布式实时系统以及实时通信系统的思路。 在上述基础上,研究了现场总线控制系统及其对现场级控制网络的要求,分析了已有现场总线的局限性,以及使用以太网作为现场总线构建新一代FCS的必要性。同时,指出实时性和可靠性是以太网进入现场总线领域面临的最关键问题,继而研究了各种改善以太网实时性的方法,然后围绕以下四个主要问题进行了重点研究: 1.现场级以太网的体系结构研究:在分析FCS的系统结构和要求的基础上,本文提出了一种基于以太网技术的现场控制网络的体系结构ARTCA。ARTCA是在不改变以太网硬件设备的前提条件下,以主从控制方式支持以太网进入现场总线控制领域,且具有较好的实时性。ARTCA紧凑的系统结构和现场级以太网协议架构,有助于降低FCS管控一体化的复杂性。文中对ARTCA的各层协议和功能进行了详细的分析和设计,并研究了传统现场总线设备的接入技术。 2.现场级以太网的可靠性保障技术:本文分析了高可靠现场控制网络应选择的网络结构,以及冗余容错网络的设计目标、原则和系统模型,在此基础上提出了适合ARTCA体系的冗余网络结构。与此相应,本文还研究和提供了冗余结构下的系统管理、故障诊断机制及网络故障处理方式,使系统在发生硬件故障或存在软件错误的情况下,也能够可靠地完成通信任务。最后,研究了双 WP=6 冗余网络嵌入式模块的设计技术。 3.现场网络的实时调度机制研究:在对单处理器实时任务调度算法的研究基础上,针对现场控制网络的应用需求和通信特点,本文提出了一种可用于调度网络消息传输的硬实时调度方法,并实现了一个调度表生成器原型,进而提出了基于该原型的在线调度策略,以满足FCS应用系统通信业务动态变化的需要。 4.基于上述研究,实现了一种基于以太网的硬实时宽带现场网络试验原型ARTCS。该原型具有完整的结构和功能,支持以太网上的硬实时通信和管理,可自动生成总线调度表,并提供多种可选的可靠性保障措施。通过对该原型的详细测试和分析,证明了本文提出的实时宽带现场级网络通信技术的实用性和合理性。 当前对于现场级以太网的研究才刚起步,统一的标准还未制定,存在诸多尚有待研究的问题。本论文从系统的角度出发,对以太网进入现场总线领域的实时性和可靠性等核心问题进行了研究,并提出了解决方案。致力于这一领域的研究,不但符合国际现场总线的发展趋势,而且有利于我国自主开发具有自己特色的现场总线产品。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TN915

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