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基于多重组合Petri网的现场总线间多协议转换系统机理研究

陈维刚  
【摘要】: 现场总线和工业以太网技术的发展给工业控制网络的发展带来了新的机遇,但是也带来新的问题和挑战。工业通信网络协议的多样性给生成厂商和用户提供了广阔的生存空间和应用空间,但同时也造成了多标准共存的混乱局面。为了解决上述问题,既要顾及多方的商业、技术利益,又要推动这一领域快速、有序的发展。能够实现多个工业通信网络兼容的多协议转换技术是一个有效、实用的解决方案。 鉴于现场总线协议的多样性,本文选择已获得广泛应用的MODBUS/TCP工业以太网协议和在设备层具有代表性的DeviceNet现场总线、Profibus DP现场总线作为研究对象。深入剖析了各个协议的报文通信过程,基于多重组合Petri网理论和随机高级Petri网理论,建立了多协议转换系统原理模型和性能模型。并从理论和实验两个方面对多协议转换系统的性能进行了分析。然后以一小型锅炉为对象,以多协议转换器为核心设备,构建了能够兼容多种工业通信网络的小型过程控制系统。主要取得以下研究成果: 1.提出了多重组合Petri网的概念,指出了结构相似的多个Petri网模型可以基于具有相同作用的公共库所或公共变迁实现组合,为多协议转换系统原理模型的建立奠定了理论基础。 2.给出了多重组合Petri网的两个特有性质-状态不变性和行为不变性的定义。并分析了在不同组合情况下,多重组合Petri网的有界性、活性、状态不变性和行为不变性。提出了在不同组合情况下,多重组合Petri网满足以上性质的充要条件,为多协议转换系统原理模型的验证提供了依据。 3.以MODBUS/TCP工业以太网协议、DeviceNet现场总线协议和Profibus现场总线协议的通信过程为切入点,将各个通信状态机统一成通信准备、报文通信和通信断开三个阶段,建立了各个总线的通信模型。基于结构相似的各个总线通信模型,以公共报文缓冲区为公共库所,建立了S-多重组合Petri网模型,从而得到了多协议转换系统原理模型,并验证了原理模型的正确性。 4.基于多协议转换系统原理模型和具有标识变量随机高级Petri网理论,将随机时间因素引入原理模型的各个变迁,得到了多协议转换系统性能模型,并基于性能模型,定性的分析了多协议转换器的利用率和吞吐率。基于对实际系统的测试数据,定量的分析了系统在不同情况下的吞吐率、丢包率,并对分别采用这两种方法得到的分析结果进行了比较。结合基于性能模型的分析结果和基于系


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