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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

  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。……   
[关键词]:实时性;调度;EPA;应用层协议
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:浙江大学2004年