以太網(wǎng)在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中的應用研究.pdf

1、隨著信息技術和控制技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)發(fā)生了深刻的變革，逐漸形成了網(wǎng)絡化的開放式體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡化、分布化和節(jié)點智能化正成為控制系統(tǒng)新的發(fā)展方向。同時，隨著管控一體化技術的發(fā)展，迫切要求在企業(yè)內(nèi)部建立一個統(tǒng)一開放的通訊網(wǎng)絡，將信息網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡融合，實現(xiàn)集中管理、高層監(jiān)控和企業(yè)的綜合自動化。 現(xiàn)場總線為現(xiàn)場設備層的網(wǎng)絡化提供了很好的解決方案，但要實現(xiàn)企業(yè)信息網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡的無縫集成，目前的現(xiàn)場總線顯然難以解決。而要實現(xiàn)這一目

2、標，主要任務就是實現(xiàn)在企業(yè)中上層網(wǎng)絡廣泛應用的以太網(wǎng)和底層控制網(wǎng)絡的互連。于是人們紛紛把目光轉(zhuǎn)向了以太網(wǎng)，欲將其延伸至現(xiàn)場設備層。然而，由于以太網(wǎng)在其MAC(Media Access Control)層采用CSMA/CD(Carrier SenseMultiple Access with Collision Detection，帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問)的媒體訪問機制，使其存在通信時延不確定的缺陷，并成為它在工業(yè)現(xiàn)場實時環(huán)境中應用的

3、主要障礙，也是目前眾多工控專家十分關注的問題。除了通信時延的不確定性，要將以太網(wǎng)應用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，還需要解決一系列其它關鍵技術問題，如數(shù)據(jù)包丟失、系統(tǒng)穩(wěn)定性和網(wǎng)絡安全性等，這些問題都直接影響著以太網(wǎng)在現(xiàn)場設備中的應用。 論文針對以太網(wǎng)在工業(yè)控制領域應用中存在的問題，開展了以下研究工作： 1、結(jié)合工業(yè)控制系統(tǒng)的實際情況和要求對以太網(wǎng)的實時能力和影響實時性的因素進行了分析，并提出了改善和提高其實時性的一些措施。同時針對總線

4、2、針對以太網(wǎng)在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中傳輸時延的不確定性問題，論文在總結(jié)前人研究成果的基礎上提出了一種基于模型預測控制算法的時延補償控制方案，并在Matlab環(huán)境下進行了仿真，仿真結(jié)果表明了該方案的可行性。 3、根據(jù)現(xiàn)場設備的要求，利用32位的ARM嵌入式微處理器設計了具有以太網(wǎng)通信接口的硬件平臺，同時還提供數(shù)據(jù)采集、控制輸出、CAN總線通信等功能。然后在該平臺上移植了嵌入式實時操作系統(tǒng)．μC/OS-Ⅱ，并實現(xiàn)了嵌入式TCP/IP協(xié)議棧

5、，成功構(gòu)建了嵌入式Web服務器。另外，為了整個實驗平臺的需要，還設計了兩個基于單片機的CAN通信節(jié)點。這些節(jié)點不僅提供CAN通信接口，同時還具備數(shù)據(jù)采集、人機交互(包括LCD顯示、鍵盤輸入)、步進電機控制等功能。 論文共分為六章：第一章介紹了課題的研究意義、研究現(xiàn)狀以及論文的主要工作；第二章對工業(yè)以太網(wǎng)技術進行了分析研究，針對實時性等主要問題提出了一些改善和解決措施；第三章針對以太網(wǎng)時延的不確定性提出了一種基于模型預測控制算法的