从现场总线到工业以太网的实时性问题研究

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。