网络控制系统若干通信网络实时特性研究

【摘要】： 网络控制系统是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统。和传统的控制系统相比，网络化结构把控制任务下放到智能现场设备上，使危险因素得到分散，提高了系统的可靠性和安全性。工业通信控制网络的实时特征是确保网络控制系统性能的关键。本文在国家自然科学基金项目“基于现场总线的实时工业通讯系统建模与分析(60084001)”和“中法先进研究计划”课题：“面向工业实时通讯的高速以太网实时能力分析与优化(PRA S101-04)”的支持下，提出了“网络控制系统中的若干通信网络实时特性研究”。在网络控制系统中，PROFIBUS是应用最广的一种现场总线；交换式以太网能够克服传统以太网延迟不确定的缺点，并提高网络控制系统的可靠性；无线控制网络是上面两种控制网络的有利补充。根据网络控制系统对于实时通信的要求，本文针对上述三种典型网络的实时介质访问控制和相关问题进行系统的探讨和研究。 (1)第一部分以PROFIBUS为例，研究现场总线的实时特性。 PROFIBUS主要采用主从节点、分布式令牌和优先级等机制管理整个网络的信息通信，但是对这些机制一直缺乏系统的研究。论文借用实时调度理论的基本方法对其实时特性进行理论分析，得出满足信息实时传送的充要条件。在此基础上，采用图论研究分析PROFIBUS中令牌环的运行特性，并且给出启发式调度算法，得出更合理的令牌环顺序，最大可能地降低通信延迟。上述成果能够为PROFIBUS在工业过程中的应用提供借鉴。 (2)第二部分着重介绍和分析交换式以太网的实时特性。 在建立交换机的延迟模型基础上，推导出输出缓冲延迟分布、队列大小等特性；接着比较传统总线型以太网和交换式以太网的端到端延迟，为交换机以及交换式以太网的设计和分析提供可靠的理论基础。 怎样维护无环路的拓扑结构，为网络节点之间的通信提供快速、高效的路径，是交换机必须完成的重要功能。本文提出了一种为每个虚拟局域网建造一个树 网络控制系统中的若干通信网络实时特性研究 结构的协商式生成树协议。这个算法能够快速收敛，缩小交换机端口的转发延 迟，提高网络的实时特性。 针对交换式以太网Qos实现问题，按照网络流量分配优先级、实时性信息 分配较高优先级的原则，本文提出考虑优先级的加权公平队列算法(wFQP)，即 对交换机的数据流进行调度处理，降低实时信息的端到端延迟，从而有效提高 实时信息的传输质量。 (3)第三部分研究了无线网络的实时特性 考虑到工业控制环境中对于网络的实时性和可靠性的高要求特点，本文首先 研究基本业务群网的特性，提出了一种改进的介质访问控制(MAC)协议，来 提高网络处理实时信息的能力;接着分析扩展结构中访问节点(AP)站点的轮 询机制，推导出信息的传输时间;最后比较了几种网络拓扑对信息延迟的影响， 仿真结果表明采用IP网络连接无线网络和有线网络得到的无线延迟最小。 (4)工业控制网络在造纸工业中的应用研究 在研究3种典型工业控制网络的基础上，文章接着分析造纸工业中的信息网 络，提出以PROFIBUS为现场级控制网络，交换式网络为工厂级网络的造纸厂 信息系统。 最后，在总结全文的基础上，笔者给出论文研究过程中得出的思考和结论， 提出了一些需要进一步深入研究的问题。