基于多重組合Petri網(wǎng)的現(xiàn)場總線間多協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)機理研究.pdf

1、現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給工業(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展帶來了新的機遇，但是也帶來新的問題和挑戰(zhàn)。工業(yè)通信網(wǎng)絡協(xié)議的多樣性給生成廠商和用戶提供了廣闊的生存空間和應用空間，但同時也造成了多標準共存的混亂局面。為了解決上述問題，既要顧及多方的商業(yè)、技術(shù)利益，又要推動這一領(lǐng)域快速、有序的發(fā)展。能夠?qū)崿F(xiàn)多個工業(yè)通信網(wǎng)絡兼容的多協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)是一個有效、實用的解決方案。 鑒于現(xiàn)場總線協(xié)議的多樣性，本文選擇已獲得廣泛應用的MODBUS/TCP工業(yè)以

2、太網(wǎng)協(xié)議和在設備層具有代表性的DeviceNet現(xiàn)場總線、ProfibusDP現(xiàn)場總線作為研究對象。深入剖析了各個協(xié)議的報文通信過程，基于多重組合Petri網(wǎng)理論和隨機高級Petri網(wǎng)理論，建立了多協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)原理模型和性能模型。并從理論和實驗兩個方面對多協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能進行了分析。然后以一小型鍋爐為對象，以多協(xié)議轉(zhuǎn)換器為核心設備，構(gòu)建了能夠兼容多種工業(yè)通信網(wǎng)絡的小型過程控制系統(tǒng)。主要取得以下研究成果： 1.提出了多重組合Pe

3、tri網(wǎng)的概念，指出了結(jié)構(gòu)相似的多個Petri網(wǎng)模型可以基于具有相同作用的公共庫所或公共變遷實現(xiàn)組合，為多協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)原理模型的建立奠定了理論基礎。 2.給出了多重組合Petri網(wǎng)的兩個特有性質(zhì)—狀態(tài)不變性和行為不變性的定義。并分析了在不同組合情況下，多重組合Petri網(wǎng)的有界性、活性、狀態(tài)不變性和行為不變性。提出了在不同組合情況下，多重組合Petri網(wǎng)滿足以上性質(zhì)的充要條件，為多協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)原理模型的驗證提供了依據(jù)。

4、3.以MODBUS/TCP工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議、DeviceNet現(xiàn)場總線協(xié)議和Profibus現(xiàn)場總線協(xié)議的通信過程為切入點，將各個通信狀態(tài)機統(tǒng)一成通信準備、報文通信和通信斷開三個階段，建立了各個總線的通信模型?；诮Y(jié)構(gòu)相似的各個總線通信模型，以公共報文緩沖區(qū)為公共庫所，建立了S-多重組合Petri網(wǎng)模型，從而得到了多協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)原理模型，并驗證了原理模型的正確性。 4.基于多協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)原理模型和具有標識變量隨機高級Petri網(wǎng)理

5、論，將隨機時間因素引入原理模型的各個變遷，得到了多協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)性能模型，并基于性能模型，定性的分析了多協(xié)議轉(zhuǎn)換器的利用率和吞吐率。基于對實際系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)，定量的分析了系統(tǒng)在不同情況下的吞吐率、丟包率，并對分別采用這兩種方法得到的分析結(jié)果進行了比較。結(jié)合基于性能模型的分析結(jié)果和基于系統(tǒng)測試的分析結(jié)果，得到了隨負載變化多協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能變化規(guī)律。5.提出了多協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設計方案，詳細說明了多協(xié)議轉(zhuǎn)換器的軟、硬件構(gòu)成，構(gòu)建了能夠同時實現(xiàn)M

6、ODBUS/TCP工業(yè)以太網(wǎng)與DeviceNet現(xiàn)場總線間以及與Profibus現(xiàn)場總線間協(xié)議轉(zhuǎn)換的多協(xié)議轉(zhuǎn)換器。 6.以多協(xié)議轉(zhuǎn)換器為關(guān)鍵設備，以自主研發(fā)的帶有工業(yè)以太網(wǎng)接口、DeviceNet和Profibus現(xiàn)場總線接口的智能單元作為現(xiàn)場設備，以實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)客戶機節(jié)點功能的上位機作為監(jiān)控設備，以一小型鍋爐為對象，構(gòu)建了能夠同時兼容MODBUS/TCP工業(yè)以太網(wǎng)、DeviceNet現(xiàn)場總線和Profibus現(xiàn)場總線的小型過