基于交換式以太網(wǎng)的實時工業(yè)通信相關(guān)理論與技術(shù)研究.pdf

1、交換技術(shù)的出現(xiàn)不僅提高了以太網(wǎng)的通信速率和帶寬，也為以太網(wǎng)支持工業(yè)通信提供了新的途徑。但是，將交換式以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域還存在相當多理論和實踐的問題。本文重點研究基于交換式以太網(wǎng)的實時工業(yè)通信的相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)，在深入分析面向工業(yè)通信的交換式以太網(wǎng)實時特性的基礎(chǔ)上，針對交換式以太網(wǎng)構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)所存在的諸多理論和技術(shù)問題，從靜態(tài)和動態(tài)兩方面提出解決方案。主要研究工作如下：
　　 （1）面向工業(yè)通信的交換式以太網(wǎng)實時特性分

2、析。時延是影響控制網(wǎng)絡(luò)性能最主要的一個因素。針對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中最常用的拓撲結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)特性，基于統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)演算建立系統(tǒng)在不同調(diào)度策略下的時延模型。利用該模型計算控制網(wǎng)絡(luò)中實時數(shù)據(jù)的時延分布和統(tǒng)計上界，并與確定性網(wǎng)絡(luò)演算得出的時延上確界進行比較，評價該上確界的悲觀程度。
　　 （2）基于交換式以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化（靜態(tài)解決方案）。通過分析影響控制網(wǎng)絡(luò)實時性能的諸多因素及其內(nèi)在聯(lián)系，給出歸一化的拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化的評價指標。將該問題轉(zhuǎn)

3、化為一個多目標優(yōu)化問題，充分考慮到控制網(wǎng)絡(luò)的通信特點。提出改進的擂臺賽算法用以構(gòu)造進化群體的非支配集，并綜合運用支配關(guān)系法和目標函數(shù)組合求積法對個體進行評價，以減小算法的開銷。實驗研究表明最終解在流量本地化和均衡方面以及交換機物理端口使用率平衡方面，都較其他算法有著較大的改進。此外，為實際控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與優(yōu)化問題提出一個新性能指標的估算方法。
　　 （3）面向?qū)崟r工業(yè)通信的交換機設(shè)計（基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的動態(tài)解決方案）。針對基于虛擬輸出

4、排隊的輸入隊列交換機應(yīng)用于控制網(wǎng)絡(luò)所面臨的諸多困難，提出一種新的輸入隊列交換機結(jié)構(gòu)，并根據(jù)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種基于記錄矩陣和需求矩陣的信元傳輸順序控制方案，解決了以往交換機中存在的信元行為及時延的不確定性問題。考慮控制網(wǎng)絡(luò)中的流量特征，還提出了兩級調(diào)度機制，鏈接調(diào)度提供了分級服務(wù)，交換調(diào)度實現(xiàn)了端口匹配。后者是一種分層的結(jié)構(gòu)性匹配調(diào)度算法，層數(shù)的設(shè)置提供了在調(diào)度率和復雜度之間折衷的手段。仿真實驗證明，較現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)性調(diào)度算法，本算法具有更高

5、的調(diào)度率，同時所提出的交換機結(jié)構(gòu)及其調(diào)度策略為控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信提供了確定性的實時保障。
　　 （4）分布式帶寬分配策略研究（基于端節(jié)點的動態(tài)解決方案）。交換式以太網(wǎng)應(yīng)用于控制領(lǐng)域所面臨的主要問題之一是如何以盡量小的代價來實現(xiàn)其支持典型的工業(yè)通信的目的。結(jié)合控制網(wǎng)絡(luò)的通信特點，提出了一套基于時隙的分布式帶寬分配策略。給出了節(jié)點通信任務(wù)和帶寬資源的模型、調(diào)度策略中信息傳輸?shù)目刂品椒ê驼{(diào)度算法。通過實驗分析和比較，該策略在滿足了各通