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从现场总线到工业以太网的实时性问题研究

陈磊  
【摘要】: 随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展,工业控制网络也不断向前发展,从基于模拟信号传输的集散控制系统(DCS),到数字化、智能化、全分散的现场总线,再到近年来新出现并得到迅速发展的工业以太网。作为一种特定应用的网络,和商业信息网络相比,工业控制网络具有自身的要求和特点,其中非常重要的一点就是实时性要求高,不仅要求传输速度快,还要求响应快。 本论文首先简要介绍了工业控制网络的发展历程,指出了存在的实时性问题和国内外的研究现状,然后从现场总线到工业以太网对实时性问题进行了深入研究,研究结果和内容可以概括为以下几个主要方面: (1)在现场总线的通信活动中,实时调度过程和实时调度表是其中的核心,同时也是总线协议及其设备的研究开发过程中需要解决的关键问题。以基金会现场总线为实例,研究了现场总线的实时调度机理;给出了通信栈软件的具体实现;提出了实时调度表的建立方法;并对实时调度表的调度算法和可调度性分析进行了研究。 (2)在工业控制应用中,当存在实时性要求严格的非周期通信时,现场总线的通信带宽的浪费严重。针对这一问题,通过分析优先级机制,研究了现场总线的带宽分配问题,提出了静态和动态两种带宽分配算法,并对两种算法进行了性能比较。在此基础上,以基金会现场总线为实例,给出了现场总线通信带宽分配的优化算法。 (3)结合工业控制应用背景分析以太网的实时性。从以太网端到端的通信延迟入手,给出了以太网排队延迟的数学期望表达式,发送延迟和传输延迟的计算方法。通过实验研究了节点数目、帧长度和通信速率等因素对以太网实时能力的影响,研究工业控制应用中,在同时、随机、调度三种信息发送方式下,标准以太网和快速以太网的实时特性。 (4)以太网的通信存在不确定性,不能满足实时性要求,成为以太网应用于工业现场设备层的主要障碍。为了解决这一问题,结合近年来以太网出现的新技术,对提高以太网实时性的若干方法进行了研究。通过分析现场设备层信息的实时性要求,研究提出了EPA系统应用于工业现场设备层的实时通信解决方案,包括EPA系统的网络通信模型、通信服务方式、实时通信调度和时钟同步。并给出了EPA系统的现场应用情况。 浙江大学博士学位论文 (5)在工业控制应用中,过程监控层网络上传输的信息已变得越来越复杂, 要求通信网络满足信息实时要求的多样性。针对这一问题,通过研究交换式以 太网的实时调度问题和过程监控层信息的实时性要求,对信息进行了分类,提 出了基于交换式以太网的混合调度算法,对不同类型的信息采取不同的调度算 法,在优先级分配上,对各类信息设置不同的优先级;对硬实时信息,提出了 改进的RM调度算法;对硬实时信息和软实时信息的协调,提出了优先级提升 调度算法。并通过实验对调度算法进行了验证。 (6)研究基于EPA的工业实时以太网控制系统。从系统结构、应用层协议、 设备间的通信过程、冗余管理、设备描述等几方面系统地研究了基于EPA的工 业实时以太网控制系统,用以太网统一了从现场设备层、过程监控层到信息管 理层等企业综合自动化系统的所有网络层次,实现各网络层次上信息的无缝集 成,提出了开放式的应用层协议,并支持不同开发商设备的互操作。


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