工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議的建模與仿真分析.pdf

1、工業(yè)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是計(jì)算機(jī)、通信、儀表和控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)的分散化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的要求，已成為控制技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。但現(xiàn)在現(xiàn)場總線的研究卻不能很好地滿足實(shí)際工程的需要，很多具有挑戰(zhàn)性的問題急迫需要解決。同時(shí)現(xiàn)場總線研究工具功能的局限性也在很大程度上制約了其研究工作的開展。本文從現(xiàn)場總線的研究工具入手，在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層面上對(duì)現(xiàn)場總線進(jìn)行了研究和探索。本文的主要工作和貢獻(xiàn)如下： 1. 首先針對(duì)工業(yè)控

2、制領(lǐng)域的發(fā)展，介紹了應(yīng)用日益廣泛的現(xiàn)場總線，總結(jié)了現(xiàn)場總線的特點(diǎn)和實(shí)時(shí)性要求。通過對(duì)現(xiàn)場總線通信協(xié)議及其研究現(xiàn)狀的分析，指出了現(xiàn)場總線研究方面存在形式化描述不足的問題，提出了結(jié)合Petri網(wǎng)和Matlab強(qiáng)大功能的新型研究方法。 2. Petri網(wǎng)作為圖形化的數(shù)學(xué)建模工具，已被廣泛用來描述和分析復(fù)雜通信協(xié)議。而目前專門針對(duì)Petri網(wǎng)設(shè)計(jì)的仿真軟件大都是非商業(yè)性的，仿真能力有限。Matlab作為一種工程計(jì)算及系統(tǒng)仿真等方面的大型

3、商業(yè)軟件，在仿真能力、擴(kuò)展性及服務(wù)支持上有著明顯的優(yōu)勢。為此，提出了一種利用Matlab/Stateflow對(duì)Petri網(wǎng)模型進(jìn)行仿真的方法。 3. 在具體介紹了FF總線的基礎(chǔ)上，建立了該協(xié)議的DSPN模型，運(yùn)用介紹的方法建立了FF總線協(xié)議在Matlab/Stateflow下的仿真平臺(tái)模型，并運(yùn)用該模型對(duì)總線性能進(jìn)行了仿真分析。針對(duì)FF總線協(xié)議中調(diào)度表的構(gòu)造問題，介紹了單調(diào)速率算法。同時(shí)針對(duì)該算法的不足，引進(jìn)了ERM算法，并給出

4、了ERM算法的可行性分析。 4. 在具體介紹了CAN總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，建立了該協(xié)議的DSPN模型和Matlab/Stateflow下的仿真平臺(tái)模型。并運(yùn)用該模型對(duì)總線性能進(jìn)行了仿真分析。為保證CAN總線中信息傳輸?shù)膰?yán)格實(shí)時(shí)性,引入了TDMA調(diào)度機(jī)制,并且混合了EDF調(diào)度算法來調(diào)度軟實(shí)時(shí)信息。該混合算法通過給硬實(shí)時(shí)信息保留特定時(shí)間域的方法,來滿足硬實(shí)時(shí)信息的嚴(yán)格實(shí)時(shí)性要求，該算法可以充分保證系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)性要求。 5. 具

5、體介紹了一種新型總線協(xié)議——FTT-CAN協(xié)議。引進(jìn)了一種保證后備主節(jié)點(diǎn)和活動(dòng)主節(jié)點(diǎn)運(yùn)行完全同步的方法, 并用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了描述。根據(jù)FTT-CAN總線的特點(diǎn)，建立了其DSPN模型和對(duì)應(yīng)的Matlab/stateflow仿真平臺(tái)模型，并運(yùn)用該模型對(duì)總線性能進(jìn)行了仿真分析。在FTT-CAN中,由于錯(cuò)誤可能導(dǎo)致后備節(jié)點(diǎn)需要在線更新SRT表以達(dá)到和活動(dòng)主節(jié)點(diǎn)完全一致，而協(xié)議中并沒有保證后備節(jié)點(diǎn)SRT表更新的相關(guān)機(jī)制。為此本文提出了一種保證后備節(jié)