工业以太网的实时性与控制通信系统研究-控制理论与控制工程专业论文.docxVIP

摘 摘 要 I万方数据 I 万方数据 摘 要 工业网络控制系统是实现企业信息化与自动化的基础，现今的集散控制系统由 于大量模拟仪表的存在很难完成企业信息的纵向集成，现场总线控制系统没有唯一 的国际标准使得各厂家的设备难以兼容。并且，随着企业信息化的发展，这两种网 络控制系统已经很难满足高带宽数据通信的要求。与此同时，在企业管理层广泛应 用的以太网技术迅速发展，其成本低廉、高速、标准化等优点使其向控制层发展形 成工业以太网，达到现代工业网络控制系统分散管理、一体化信息集成的目标。 以太网技术发展之初，并非是为工业控制系统所设计，因此其实时性、网络生 存性和总线供电问题等就成为应用于工业控制系统的主要障碍。本文对以太网应用 于工业控制系统的诸多关键技术进行了分析，特别在实时性方面从理论上深入研究 CSMA/CD 和 BEB 介质访问控制机制的延时性能，指出传统以太网采用的平等优先级 难以满足工业重要数据传输的确定性要求。基于 IEEE802.1PQ 协议和自动化控制 任务的实时性要求提出一种新型引入优先级的工业以太网数据交换机制，通过配合 全双工以太网交换技术和虚拟局域网等，在工业控制系统底层的节点端设计出基于 ARM 微处理器和 Linux 的嵌入式控制器；在工业以太网的交换设备中，使用多队列 缓冲机制来快速、分类转发不同实时应用的工业数据；利用 OPNET 网络仿真软件评 估了工业以太网的实时传输性能。在工业以太网的高层，以主-从模式和生产者-消 费者模式传输工业数据；由 UDP 协议传输实时的工业测量和控制信息，由 TCP 协议 传输较长数据包。考虑到工业控制系统的特殊可靠性要求，设计出新型的基于工业 以太网的冗余式工业控制通信系统架构。 由于以太网的低廉成本和 Linux 的版权开放性原则，本文所设计的工业以太网 控制器与满足实时性的工业控制通信系统非常适合在我国的中小型企业中应用。 关键词：工业以太网，实时性，现场总线，控制通信系统 Abst Abstract II万方数据 II 万方数据 Abstract Industrial network control system is the infrastructure of the enterprise automation and informationization. However, because the widely-used analogue instrumentation conventional DCS（Distributed Control System）is very difficult to fulfill all the control and management tasks. The development of fieldbus control system provided a good solution, but incompatibility of existing fieldbus standards makes the solution difficult and more expensive. Furthermore, the above two network control systems do not meet high bandwidth demand of increasing industrial data communication. Meanwhile, Ethernet, with its mature technology and wide application base, attracts attention in the field equipment network. The original version of Ethernet is not designed for industrial control system so that its non-realtime, network survivability and power supply become main obstacles in applying to the factory workshop. In this thesis, the key techniques concerned in Industrial Ethernet are studied and the real-time performance of Ethernet is analyzed in particular. Since the conventional Ethernet handling of communication traffic