陈磊[1]2004年在《从现场总线到工业以太网的实时性问题研究》文中研究指明随着微电子技术、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、调度叁种信息发送方式下，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。
张妍[2]2005年在《工业以太网及其实时特性的研究》文中提出本文系统概述了网络控制系统的发展历史和研究现状,将工业以太网和集散控制系统DCS、现场总线控制系统FCS进行了比较,阐述了工业以太网的发展历史和背景知识,并从工业控制网络的特点出发提出了以太网所具有的优势和存在的问题;分析研究了以太网的实时能力,并结合当前的以太网新技术提出了改进以太网实时能力的几种方法:使用全双工(Full-Duplex)交换式以太网技术、采用虚拟局域网(VLAN)技术、质量服务(QoS)和采用IPv6技术;并重点研究比较了最新出现的几种常用的工业以太网标准中的实时解决方案,包括Ethernet/IP、PORFINET、ETHERNET Powelink;对实时以太网解决方案之一IEEE 1588,精确时钟同步协议作了全面地分析,并在此基础上提出了基于以太网的分布式运动控制联网技术,以罗克韦尔运动控制系统模型为例研究了IEEE 1588在分布式运动系统同步控制中的应用,提出了基于IEEE 1588的同步控制网络适配器的设计方法。
马宾[3]2005年在《工业以太网的实时性研究及在现场测控中的应用》文中提出90年代以来,以Internet为代表的计算机信息产业和数据通信网络蓬勃兴起,发展迅速,同样也对工业自动化领域形成了强大的冲击,新型的工业计算机网络如新型集散控制系统(DCS)、现场总线(Fieldbus)、工业以太网(Industrial Ethernet)等大量涌现,给工业自动化带来一场深层次的革命。但现场总线的国际标准未能统一不同总线产品不能直接互连、互用和互可操作,现场总线真正实现开放性任重而道远褚着技术的发展,企业要求工业网络从现场设备层到管理层能实现全面的无缝信息集成,并提供一个开放的基础构架。这时传统以太网逐渐进入了控制领域。 本文根据工业网络的要求,结合传统以太网技术、交换技术等,研究了工业以太网的现场应用、网络管理和系统设计等技术问题,分析了工业以太网的冗余设计,提出了理想的工业以太网理想解决方案。 本文的主要内容包括: 1:系统介绍了工业网络历史发展和研究现状,对工业以太网和DCS、现场总线进行了比较。 2:介绍了工业以太网的历史发展和背景知识,指出了工业以太网所具有的优势、存在的问题及本文的研究方向。 3:针对传统以太网的不确定性,研究了工业以太网的实时性实现机制。我们结合现有技术,采用全双工交换式以太网、虚拟局域网、IPV6等技术提高工业以太网实时性的方法和途径。 4:研究了工业以太网的系统设计,提出了理想的工业以太网解决方案,并指出未来一段时间内的发展方向—混合型系统。分析了工业以太网的核心层和分布层的冗余设计,并给出各种冗余设计方案。 5:系统的介绍了工业以太网在现场测控中的一个应用实例,通过软硬件的设计方案,采用混合型系统,顺利的实现了对工业现场的数据采集。 最后对全文进行了概括性的总结,分析了工业以太网以其开放的特性和结构化的设计及应用前景:尽管而目前仍有很多关键技术有待解决,但太网的迅速应用不可阻挡,并产生良好的经济效益。
姜斌[4]2007年在《基于Modbus/TCP工业以太网协议的温度采集网络设计》文中提出随着控制技术、计算机网络技术和通信技术的飞速发展，现场总线控制系统通过以太网与企业信息网集成技术成为企业信息一体化领域的研究热点之一。 本文首先通过分析Modbus／TCP工业以太网所遵循的MAC层中的CSMA／CD通信机制，给出了针对现有技术的以太网通信延时的解决方案，同时给出了基于BEB算法的改进算法，并通过Matlab软件给出改进算法后网络中平均延时时间和网络吞吐率这两个重要参数的仿真结果。其次，通过对Modbus／TCP协议构成的分析，并在采用了套接字与多线程技术的基础上，设计出基于Modbus／TCP协议工业以太网通信的二层网络。所构建的基于Modbus／TCP的工业以太网网络可实现对工业现场的温度数据采集、处理及通信等功能，同时通过分析Modbus／TCP协议所采用的客户端／服务器通信模式的特性，给出了客户端／服务器模式的数据通信流程图，并运用WINSOCK控件实现了其主要实现程序。最后，设计出了应用于工业现场的温度采集模块，给出了该模块的多路开关的扩展电路、A／D转换电路、非线性校验电路及Modbus网络的接口电路，其中，在热电偶冷端补偿的方面采用了牛顿迭代算法实现了软件补偿。同时采用VB6.0编程，实现了温度采集模块和计算机的通信软件设计。 从实验测试的效果看，这种基于工业以太网的控制系统在设计原理上是合理的，采用的软硬件能保证系统通信和数据采集功能的实现。热电偶温度检测装置在实验条件下已成功与计算机互连通信。针对实时性算法的改进算法，进行了仿真研究。通过比较原有算法的仿真结果，表明了改进算法的有效性。在得出以上结论的同时，也为构建工业实时性数据采集系统提供了理论基础。
蔡金清[5]2005年在《基于以太网的工业网络控制系统研究》文中研究表明传统的工业控制网络是基于现场总线的。由于现场总线的通讯标准尚未统一,使得现场总线的标准各种各样,这必将使以各自利益为目标的各厂商的仪表设备难以在不同的现场总线控制系统(FCS)中兼容。此外,现场总线目前尚处于低速阶段,难以满足数据高速传输的需要。因此,提出了本课题:基于以太网的工业网络控制系统的研究。 基于以太网的工业网络控制系统具有数据传输率高、可靠性好、易维护、可远程传输、互操作性好等优点。所以随着互联网技术的普及与推广、以太网通信速率的提高、交换技术的发展,基于以太网的工业控制网络系统受到了全球的拥护和软硬件支持,并得到了迅速发展和普及。因此,基于以太网的工业控制网络是工业控制系统的发展趋势。 本课题系统介绍了工业网络发展的主要过程,比较了工业以太网与传统工业网络的优缺点,从工业以太网的关键技术的入手,着重对工业以太网的“不确定性”产生原因、如何提高通信响应实时性和安全性以及如何实现远程传输等问题进行了深入的探讨、分析,给出了比较理想的工业以太网解决方案。根据工业控制领域对网络支持系统的要求,借鉴商业以太网的设计原则和方法,设计了基于分层结构化工业以太网结构,拟为工业控制系统提供了一个安全、稳定、互操作性好的通信平台;同时,按照该设计思路和原则,本课题设计了一个基于Internet的工业以太网远程监控系统。该监控系统已经过测试,目前已在我校某部门投入实际应用。
沈志伟[6]2002年在《基于以太网的工业网络系统研究》文中指出工业网络经过近30年的发展，从基于模拟信号传输的DCS系统发展到数字化、智能化、全分散的现场总线系统，给工业自动化带来一场深层次的革命。但现场总线的国际标准推出缓慢，通信协议的多样性使得不同总线产品间不能直接互连、互用和互可操作，没有真正体现现场总线的开放性。随着Intranet／Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，传统上用于办公室和商业的以太网逐渐进入了控制领域。本文根据工业控制系统的要求，结合商用以太网成熟的设计方法，给出了工业以太网设计的原则和方法；研究并讨论将传统以太网移植到工业控制领域所必须解决的实时性、快速故障探测与自恢复、网络安全等关键技术问题。 本文的主要内容包括： 1． 系统介绍了工业网络发展的主要历程，比较了工业以太网与传统工业网络，并指出了以太网应用于工业控制领域的所具有的优势极其发展的趋势。 2． 根据工业控制领域对网络支撑系统的要求，借鉴商业以太网的设计原则和方法，设计了基于分层的结构化工业以太网结构，为工业控制系统提供了一个全分布的、对等的通信平台；同时，详细说明了设计思路和原则。针对工业环境的防护要求，给出了通信设备和电缆所应遵循的参考标准。 3． 针对商用以太网本身的局限性，结合现有技术，详细讨论了采用交换、全双工通讯模式、虚拟局域网、质量服务(QoS)等技术实现工业以太网实时性的方法和途径。 4． 研究了IEEE802.1D算法收敛慢的缺陷，讨论了采用改进的基于传播顺序生成树算法实现快速故障探测与自恢复的方法，并给出了该算法的性能评估，结果表明，该算法比传统的E802.1D算法具有更快的收敛速度，可极大地提高工业以太网的可靠性和可用性。 5． 根据工业以太网的开放性特点，讨论了实现网络安全的常用技术，包括数据加密、数字签名、鉴别技术、访问控制技术等。 相信，工业以太网以其开放的特性和结构化的设计，在工业控制领域必然有很好的应用前景；而目前仍有很多关键技术有待解决，积极的研究工作将有助于工业以太网的迅速应用，并产生良好的经济效益。
蒋绍涛[7]2005年在《控制网络技术在轮胎胎面生产监控系统中的研究与应用》文中研究表明随着Intranet/Internet等信息技术的发展,要求企业能从现场控制层到管理层实现无缝信息集成。信息网络位于工业企业网的上层,是企业数据共享和传输的载体;控制网络位于工业企业网的下层,它不仅将工业生产过程推向了更高的自动化水平,实现了协调控制和优化控制,而且还为与信息网络的集成,构建统一的企业管控一体化系统提供了强大的技术支撑。现场总线是当今控制网络领域的一项重要技术,在各种工业现场控制中扮演着及其关键的角色。由于以太网技术发展迅速并日趋成熟,同时它也很好地克服了原有现场总线自身的一些缺陷,因而也有了工业以太网在控制网络中的应用研究。 本论文结合轮胎胎面生产控制系统设计这个工程实际项目,对基于控制网络技术的生产设备监控系统设计方法进行了研究。根据控制系统的要求,采用了现场总线+工业以太网的整体网络结构。本文首先对Profibus现场总线的技术特征作了探究,剖析了其优于其它总线的技术特性,并对Profibus现场总线网络的设计及组态方法、网络通信方法、网络设备故障诊断方法做了详细分析与实现。现场总线的应用有效地解决了本系统由于工艺复杂、I/O点数多且分布分散、设备类型多样、控制协调性要求高所带来的控制问题。 然后,针对监控系统要求将整个车间所有子系统或设备都纳入其内,形成一个统一有机系统的要求,提出了将以太网技术引入控制网络的方案。研究并讨论了传统的以太网应用于工业现场所必须解决的通信实时性、本质安全、可互操作性等问题,进一步对控制网络与信息网络互联的必要性以及其实现方法原理进行详细分析。最后阐述了基于以太网的胎面生产监控网络系统体系结构,并对其硬件和软件方面作具体的研究与设计。 采用现场总线和以太网结合组成全分散、全开放的控制网络经过设备现场运行检验,其结果验证了本文设计方案的可行性和实用价值,并己在多条轮胎胎面生产线控制系统上运行。
戴俊欢[8]2016年在《基于EtherCAT多轴伺服控制系统的研究》文中研究表明随着工业自动化的发展,多轴伺服控制系统在数控系统,可重构制造系统,柔性制造系统以及各种新兴制造系统中变得不可或缺,多轴伺服控制系统对快速性、实时性、可靠性等的要求越来越苛刻,而传统的现场总线已经不能满足要求,工业以太网应运而生。在众多的工业以太网中,德国BECKHOFF公司于2003年推出的实时工业以太网EtherCAT因其高速高效,实时性好,灵活的拓扑结构,广泛的适用性,最大支持65535个设备等特性,在世界范围内得到了广泛的关注和应用。本课题搭建了多轴伺服控制系统试验平台,旨在研究工业以太网EtherCAT在控制多个伺服电机时,伺服系统本身的实时性、可靠性、稳定性。本文的主要工作如下:1、论文首先总结了工业控制网络由现场总线到实时以太网的发展过程,引出和比较了几种实时工业以太网:EtherCAT、Ethernet Powerlink、PROFINET、Ethemet/IP。运用MATLAB模拟了在可重构模具中,基于EtherCAT多轴伺服系统的实现方法。2、设计并搭建了一套基于EtherCAT的多轴伺服系统的试验平台。确定以装有TwinCAT软件的计算机作为主站,倍福总线耦合器EK1100和两伺服驱动器作为从站,通过两个互相垂直的KK模组带动负载运动的伺服控制系统方案。3、通过倍福公司的TwinCAT软件组态从站,配置和调试伺服电机参数,按照规定字符轨迹编写NC文件和PLC程序来实现平面内两轴协同运动,并能实时将X、Y轴的实时数据采集并保存到EXCEL表格中。4、根据控制系统的要求,采用TwinCAT PLC Control内置人机界面功能设计界面对PLC参数进行监控,利用TwinCAT Scope View和Scope 2示波器分别观察字符运行轨迹和两轴的动态参数,最终验证EtherCAT技术在多轴伺服控制领域的优势。
陆超[9]2006年在《工业现场总线与以太网接口技术和通讯协议的研究》文中认为现场总线技术广泛的应用在工业自动化领域中,并且是工业控制网络最底层,即设备级通讯技术的主导。但长期以来现场总线标准的多样性和互不兼容阻碍了现场总线技术的进一步发展,也使得系统集成与信息集成面临着诸多困难。以太网在工业控制领域的应用—工业以太网的出现为解决以上问题提供了可能。工业以太网已经在企业综合自动化系统中的信息管理层、过程监控层中得到广泛应用,成功实现了高层信息网络与底层控制网络的集成。而在对工业以太网的实时性、确定性等关键性问题予以充分改进之后,工业以太网在工业控制最底层设备级上的应用也可以得到推广。企业最终实现从现场设备级到管理层的无缝信息连接与集成已成为控制网络发展的目标和趋势,因此对于现场总线网络与以太网的互联以及更深层次的相互融合的探索和研究具有很强的现实意义和应用价值。本文就工业现场总线和以太网相互融合的问题分别从两个层次进行了研究和探讨:接口技术的研究、通讯协议以及对以太网实时协议改进的研究。对接口技术的研究主要是设计实现Profibus DP与以太网的接口单元。接口单元采用以ATmega128单片机为核心,附加Profibus DP总线专用协议芯片SPC3和以太网控制器LAN91C111的结构。由ATmega128和SPC3组成DP现场总线从站接口,其中SPC3集成了完整Profibus DP协议;由ATmega128和LAN91C111构成以太网接口,并采用简化实现的TCP/IP协议栈;全部网络协议转换的功能由ATmega128进行控制。通过对接口单元进行的测试,验证了接口单元数据收发和协议转换的基本功能的实现,对接口单元的实时性能和通讯距离也进行了测试分析。接口单元的实现为工业自动化系统高层次融合目标的实现提供了一种可靠、廉价的解决方案。对通讯协议的研究主要是分析以太网应用于工业自动化系统最底层-设备级的可行性,参考Profibus DP现场总线协议,探讨了一种以太网实时协议的改进方案。改进的实时协议基于以太网数据链路层的LLC子层,并把Profibus DP协议架构在以太网数据链路层上。这使以太网既可以适应实时通讯的要求能够应用于设备级,而且与已经存在的Profibus DP现场总线上的应用保持了兼容性。使用OPNET Modeler8.1对协议进行了仿真实现和性能测试,结果表明:采用实时协议的单主站共享式网络工作状态良好,没有明显的数据延迟;恰当的选择周期时间,还可以达到比Profibus DP更高的传输效率。对通讯协议以及以太网实时协议改进的研究是对工业自动化系统底层次融合问题的一种探讨。
张帅[10]2006年在《基于工业以太网的矿石码头控制系统研究与设计》文中认为随着自动控制、计算机、通信、网络技术的发展,信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场,因此,需要建立包含从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台,建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。 工业以太网具备工业控制网络所必需的特征,随着以太网技术的不断的发展和完善,以工业以太网为代表的COTS技术正在工业控制领域得到广泛地应用。20世纪90年代中后期,国内外各大工控公司纷纷在其控制系统中采用以太网,推出了基于以太网的DCS、PLC、数据采集器,以及基于以太网的现场仪表、显示仪表等产品。今后,以太网必将成为工业控制网络发展的首选,也将取代目前标准过于庞杂的现场总线而进入企业自动化系统的控制层面,实现网络控制系统一网到底的局面。 本文以湛江港码头中控控制系统为项目背景,从网络控制系统的发展历程出发,详细分析了工业以太网的发展历史、现状和趋势,针对工业以太网在现场应用中的一系列关键技术进行了深入地探讨研究,重点分析了以太网发展至今仍然存在的实时性和不确定性问题;并阐述了以太网在当今控制系统中的应用及以太网与信息网络集成以构建管控一体化系统所面临的技术问题;最后,从湛江港项目建设的实例出发,描述了在构建以工业以太网为基础的企业综合自动化系统时所要解决的一系列通信接口问题。本人在该项目中参与硬件的组态、通信和PLC控制程序的编制,因此本文中也讲到了皮带机系统控制程序的编写思路和方法。
参考文献：
[1]. 从现场总线到工业以太网的实时性问题研究[D]. 陈磊. 浙江大学. 2004
[2]. 工业以太网及其实时特性的研究[D]. 张妍. 河北工业大学. 2005
[3]. 工业以太网的实时性研究及在现场测控中的应用[D]. 马宾. 山东大学. 2005
[4]. 基于Modbus/TCP工业以太网协议的温度采集网络设计[D]. 姜斌. 大连海事大学. 2007
[5]. 基于以太网的工业网络控制系统研究[D]. 蔡金清. 天津工业大学. 2005
[6]. 基于以太网的工业网络系统研究[D]. 沈志伟. 浙江大学. 2002
[7]. 控制网络技术在轮胎胎面生产监控系统中的研究与应用[D]. 蒋绍涛. 武汉理工大学. 2005
[8]. 基于EtherCAT多轴伺服控制系统的研究[D]. 戴俊欢. 天津科技大学. 2016
[9]. 工业现场总线与以太网接口技术和通讯协议的研究[D]. 陆超. 江南大学. 2006
[10]. 基于工业以太网的矿石码头控制系统研究与设计[D]. 张帅. 武汉理工大学. 2006
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