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工业以太网实时任务调度算法的研究-控制工程专业论文
万 万方数据 学位论文版权使用技权书 本学位论文作者完全了解 浙江理工大学 有权保留并向国 家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被 查阅和借阅 。本人投权 浙江理工大学 可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影 印 、 缩印或扫描等复制手段保存 、 汇编学位论文。 ( 必威体育官网网址的学位论文在解密后适 用 本授权书 ) 学位论 文作者 签名:半斗 签 字日期: ( 年 0) 月 4 日 导师 签名 :A气功U 签 字日期: to / 士年斗月 2 日 摘 要 随着网络控制系统的发展,传统的集散控制系统和现场总线控制系统在传输速率、协 议标准、成本控制等方面都面临着巨大的挑战,已经越来越难以满足时代发展的需求。工 业以太网因其具有极高的传输速率、统一的协议标准、较低的成本价格等优势,受到了国 内外学者越来越多的关注。然而,工业以太网数据传输的“可靠性”和“实时性”不能得 到保障,所以不能直接应用于网络控制之中,于是工业以太网的实时性研究成为了热点。 造成工业以太网不可靠性和低实时性的原因是由于采用了 CSMA/CD 传输机制。数据 在传输过程中若发生碰撞冲突则会进行退避处理,因此而产生时延。当连续发生多次冲突 后则会丢弃数据,因此具有不可靠性。为了避免数据碰撞,采用时隙技术是较为主流的解 决方案,该类以太网又可称为时分调度以太网。 本文在时分调度以太网基础之上提出了时分任务调度算法 TDTS(Time Division Task Scheduling):由于传统的时分调度以太网不能对数据包生成过程进行控制,因此在数据包 生成后至时隙到来之前会产生一段排队时延,尤其是时隙排序靠后的节点,其排队时延较 为明显,节点中高优先级任务的服务质量得不到保障,这些都会对网络控制系统产生不利 影响。本文将数据包生成过程与传输过程相结合进行建模与分析,通过对节点设备中任务 数量和执行时间的优化与调度,来控制数据包的生成时间,使每个数据包生成后可以立即 进行传输,在传输过程中也不会与其它节点发生碰撞冲突,从而解决了排队时延和数据碰 撞的问题,提高了控制系统的实时性和可靠性。 本文又在四层交换技术基础上提出了适于网络控制的实时同步交换技术:随着网络控 制系统规模的不断增长,节点数量越来越多,通讯内容越来越丰富,信息传递越来越频繁, 人们开始将网络交换技术引入工业控制之中。但工业控制环境中通常存在着大量短帧结构 的周期性实时数据。当网络负载增加时,传统的端对端交换技术会产生明显的排队时延, 传输效率低,带宽占用高。本文所提出的同步交换技术在非周期数据传输阶段,对交换机 各端口通信任务数量和执行时间分别进行优化与调度。而在周期数据传输阶段,通过特殊 设计的交换体系结构执行数据包的接收、拆分、重组、转发四个步骤,实现了数据包的同 步接收和转发。该方法解决了数据包在交换机中的排队时延问题,提高了数据传输的同步 性,数据传输效率高,网络带宽占用低。 关键字:工业以太网;实时性;交换式以太网;任务调度;网络调度;TrueTime i Research on Real-time Task Scheduling Algorithms of Industrial Ethernet Abstract With the development of the Network Control System(NCS), the traditional Distributed Control System(DCS) and Fieldbus Control System(FCS) faces great challenges in the transmission rate, protocol standard and cost-control, both of them have been very difficult to meet the present needs. The Industrial Ethernet has been got more and more attentions because of its high transmission rate, uniform protocol and lower cost. However, the “Reliability” and “Real-time” of the Industrial Ethernet data transmission cannot be guaranteed, so the Industrial Ethernet cannot be directly applied in the NCS and the real-time researching
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