交換式工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)化研究.pdf

1、以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)通信技術(shù),隨著其帶寬的提高和價格的不斷下降,相對于其他局域網(wǎng)技術(shù)具有越來越明顯的市場優(yōu)勢.傳統(tǒng)共享式以太網(wǎng)區(qū)別于其他局域網(wǎng)的主要特點是:它采用CSMA/CD(Cartier Sense MultipleAccess with Collision Detection)作為其介質(zhì)訪問控制協(xié)議.CSMA/CD以其簡潔性和可靠性,為以太網(wǎng)的推廣和普及做出了重要貢獻(xiàn),但其在本質(zhì)上無法提供通信響應(yīng)時間的確定性.

2、 目前以太網(wǎng)正逐漸從共享式的集線器(Hub)連接過渡到獨享式的交換機(Switch)連接上來.交換機的引入為以太網(wǎng)支持典型的工業(yè)實時通信提供了新的契機.當(dāng)以太網(wǎng)采用微網(wǎng)段全雙工通信方式后,每個通信站點都具有獨享的通信帶寬,其數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收不再受限于原有的CSMA/CD協(xié)議,大大改進了以太網(wǎng)通信的實時性.但交換機的引入并沒有從根本上解決以太網(wǎng)通信的確定性問題,在數(shù)據(jù)發(fā)送的源節(jié)點和交換機內(nèi),實時數(shù)據(jù)仍然可能因為同非實時數(shù)據(jù)競爭同一服務(wù)端

3、口而被延遲發(fā)送.此外,非實時數(shù)據(jù)的突發(fā)特性還會引起緩沖區(qū)溢出而使實時數(shù)據(jù)丟失. 以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)通信時雖然還面臨著一些問題,但其較高的通信速率和良好的開放性,使得它在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(Networked Control Systems)中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注.目前現(xiàn)場總線體系中,基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議除了現(xiàn)場總線應(yīng)用行規(guī)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61784-1中包含的HSE、Ethemet/IP、ProfiNet之外,還包括EPA、Eth

4、erCAT、Ethemet PowerLink、Vnet/IP、TCnet和Modbus/IDA等6個新的提案,這些工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)都在不同程度上引入了交換機連接.其中EPA(Ethemet for PlantAutomation)是中國自己的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),采用EPA網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中從信息管理層、過程監(jiān)控層到現(xiàn)場設(shè)備層基于以太網(wǎng)技術(shù)的統(tǒng)一,即所謂的"E(Ethernet)網(wǎng)到底". 目前工業(yè)以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)

5、中的應(yīng)用還處于起步階段,交換機在以太網(wǎng)中的引入雖然能在一定程度上改進以太網(wǎng)傳輸實時數(shù)據(jù)時的性能,但在其應(yīng)用過程中還有一些迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù):如針對工業(yè)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級服務(wù),多種工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)的兼容性,高效的以太網(wǎng)二層組播解決方案,以太網(wǎng)現(xiàn)場智能儀表開發(fā)和基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化等.因此,開展針對交換式工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)化研究,對于降低控制系統(tǒng)成本,實施先進控制技術(shù),提高我國的工業(yè)自動化水平都具有重要意義. 無論共享

6、式工業(yè)以太網(wǎng)還是交換式工業(yè)以太網(wǎng),當(dāng)用于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)時,都會在閉環(huán)控制回路中引入隨機的通信延遲.這些隨機延遲的存在會降低控制系統(tǒng)的品質(zhì),甚至使控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定.解決這一問題有兩種途徑:一是在設(shè)計控制算法時并不考慮數(shù)據(jù)的傳輸延遲,而是通過優(yōu)化工業(yè)以太網(wǎng)盡可能減小網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲.另一種途徑是將網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲視為既定條件,通過設(shè)計合適的控制算法降低網(wǎng)絡(luò)延遲對控制系統(tǒng)品質(zhì)的不利影響.本論文針對前一種途徑提出了交換式工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)化方案,包括在源

7、節(jié)點和交換機中引入優(yōu)先級調(diào)度和流控制,通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪頊p少數(shù)據(jù)的傳輸延遲等.針對后一種途徑提出了改進的時戳預(yù)測控制算法,將傳統(tǒng)的動態(tài)矩陣控制(DMC)算法和預(yù)測函數(shù)控制(PFC)算法在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中進行了推廣. 全文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面: 第一章為緒論,首先探討了交換機的引入為以太網(wǎng)支持實時工業(yè)通信所提供的新特性,如微網(wǎng)段和全雙工通信、基于IEEE802.1p的排隊特性、虛擬局域網(wǎng)技術(shù)等.然后進一步總結(jié)了工

8、業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于實時工業(yè)通信時仍需解決的關(guān)鍵技術(shù),如針對工業(yè)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級服務(wù)、以太網(wǎng)組播解決方案和以太網(wǎng)智能儀表的開發(fā)等.本章也對交換式工業(yè)以太網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行了概述. 第二章對IEEE802.1p排隊特性和工業(yè)以太網(wǎng)實時通信的結(jié)合進行了研究.首先分析了工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸特點,然后針對工業(yè)通信中不同數(shù)據(jù)的傳輸要求,通過在源節(jié)點和交換機的介質(zhì)訪問控制層中引入基于IEEES02.1p和最早截止期限優(yōu)先的調(diào)度方法,來

9、改善工業(yè)以太網(wǎng)對實時數(shù)據(jù)的傳輸能力.最后通過OPNET Modeler搭建的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺驗證了該調(diào)度方案的可行性. 第三章研究了基于網(wǎng)絡(luò)演算的交換式工業(yè)以太網(wǎng)傳輸延遲分析方法.網(wǎng)絡(luò)演算是源于多媒體通信領(lǐng)域的一種網(wǎng)絡(luò)特性分析工具,它通過計算數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線和服務(wù)曲線,很容易得到數(shù)據(jù)幀的最大網(wǎng)絡(luò)延遲和最大數(shù)據(jù)積壓.本章結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)的通信特點,在對其實施優(yōu)先級調(diào)度和對非周期數(shù)據(jù)進行流控制的基礎(chǔ)上,以網(wǎng)絡(luò)演算為工具推導(dǎo)了交換機對實時工

10、業(yè)數(shù)據(jù)的服務(wù)曲線.最后以一個采用樹型拓?fù)涞娜粨Q式工業(yè)以太網(wǎng)模型為例,給出了計算實時數(shù)據(jù)最大網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的方法. 第四章和第五章分別以遺傳算法和圖劃分理論為工具,對交換式工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化進行了研究.首先給出了交換式工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化的主要設(shè)計原則,然后將他們構(gòu)建為一個多目標(biāo)優(yōu)化問題:交換式工業(yè)以太網(wǎng)的拓?fù)鋬?yōu)化一方面要減少子網(wǎng)間的通信量,同時需要平衡各個子網(wǎng)的通信負(fù)荷和站點規(guī)模;此外,交換機物理條件的限制也為該優(yōu)化問題設(shè)置

11、了約束條件.在求解這一帶約束條件的多目標(biāo)優(yōu)化問題時,第四章設(shè)計了遺傳算法來尋找該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化問題的優(yōu)質(zhì)解.第五章采用圖劃分策略來求解同一優(yōu)化問題,通過劃分該優(yōu)化問題的一個圖表示來尋找理想的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?仿真結(jié)果表明這兩種方法得到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計明顯優(yōu)于隨機方法得到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計. 第六章研究了目前交換式以太網(wǎng)中比較常用的四種組播方案:VLAN,IGMP竊聽,CGMP,GMRP.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中大量采用"生產(chǎn)者一消費者"的通信模式,這種通信模式使

12、網(wǎng)絡(luò)中存在著大量的組播數(shù)據(jù).傳統(tǒng)交換機對組播數(shù)據(jù)采用的廣播式處理方式會大大降低交換式工業(yè)以太網(wǎng)的性能.本章通過對比分析現(xiàn)有四種二層組播方法的優(yōu)缺點,指出了它們在工業(yè)以太網(wǎng)中各自的適用范圍,為實際應(yīng)用中選擇和設(shè)計合適的組播方案提供了參考. 第七章和第八章針對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)提出了改進的時戳預(yù)測控制算法.其主要思想是在動態(tài)矩陣控制算法和預(yù)測函數(shù)控制算法中,引入時間戳來估計網(wǎng)絡(luò)通信延遲的大小.在推導(dǎo)預(yù)測控制規(guī)律時,使用一個離散的延遲模型