現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究.pdf

1、現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)?，F(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)標志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域一個新時代的開始。它涉及了計算機、自動化、通信等眾多技術(shù)領(lǐng)域，目前正處于一個不斷發(fā)展，不斷改進和完善階段。我國在現(xiàn)場總線方面的研究起步較晚，無論是理論研究還是應(yīng)用研究方面都遠遠落后于國外，在我國深入開展現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究已經(jīng)迫在眉睫。 本文主要針對現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行了理論與應(yīng)用研究，重點對現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的結(jié)

2、合、現(xiàn)場總線實時性能、現(xiàn)場總線的選擇、現(xiàn)場總線的集成、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的開發(fā)等幾方面問題進行了深入的探討，提出了一些創(chuàng)新的方案，提供了一些指導(dǎo)原則和理論依據(jù)，并解決了一些實際應(yīng)用問題，在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的理論研究和應(yīng)用研究方面取得了一定的進展。 (1)總結(jié)出了以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域中需要面臨的問題，并分別提出了相應(yīng)的解決方案，為以太網(wǎng)技術(shù)向工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展奠定了初步的理論基礎(chǔ)。通過對互聯(lián)網(wǎng)中互聯(lián)技術(shù)的研

3、究，提出了現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)相結(jié)合的封裝、組件、隧道三種技術(shù)方案，對其工作原理進行了詳細的闡述，并通過典型案例證明了這三種技術(shù)方案的可行性，為其它現(xiàn)場總線開發(fā)與以太網(wǎng)相結(jié)合的技術(shù)提供了理論指導(dǎo)和應(yīng)用范例，具有很好的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。 (2)總結(jié)了固定分配類、隨機競爭類、按需分配類等三種常用介質(zhì)訪問控制方法的優(yōu)缺點，找出了ControlNet現(xiàn)場總線采用的生產(chǎn)者/消費者模型與傳統(tǒng)的源/目的模型的不同之處。發(fā)現(xiàn)了生產(chǎn)者/消費者模型對

4、傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容進行了標識，提高了網(wǎng)絡(luò)的通信效率。對工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)報文歸納出隱性報文、顯性報文和維護報文三種形式，并總結(jié)出它們的特點。對ControlNet現(xiàn)場總線CTDMA技術(shù)的運行機理給出了圖形化的表示。找出了NUT與SMAX之間的內(nèi)在聯(lián)系，即NUT=T×SMAX+T+tmaintenance?？偨Y(jié)出正確設(shè)置節(jié)點地址的方法，提出了對ControlNet控制系統(tǒng)的優(yōu)化法則，為ControlNet的組態(tài)提供了理論依據(jù)。 (3)深入

5、地研究了DeviceNet現(xiàn)場總線的實時性能，對MAC層的控制機制——非破壞性逐位仲裁法的仲裁過程給出了圖形化的表示，發(fā)現(xiàn)非破壞性逐位仲裁法正是DeviceNet現(xiàn)場總線速度低、擴展性差的主要原因。經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，找出了位時間、傳輸時延和采樣點等參數(shù)之間的關(guān)系，即2τmax＜atbit＜tbit。通過加入跳變，實現(xiàn)位同步對其物理層進行了優(yōu)化，保證了通訊設(shè)備的安全?？偨Y(jié)出了工業(yè)中常用的數(shù)據(jù)壓縮方法的特點，并利用新型矩形波串法數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，提

6、出了通過減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，提高DeviceNet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的改進方案。這種方法對DeviceNet的協(xié)議改動不大，具有良好的兼容性。通過相應(yīng)的仿真結(jié)果，從理論上驗證了采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的實時性能。 (4)對CIP的工作機制和協(xié)議實現(xiàn)進行了研究。對DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP三種CIP網(wǎng)絡(luò)的性能進行了對比，提出了信息層、控制層和設(shè)備層三層架構(gòu)的概念。通過這三個網(wǎng)絡(luò)層次構(gòu)成了完

7、整的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了工業(yè)控制的分層處理。介紹了由CIP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的羅克韋爾自動化公司現(xiàn)場總線的集成架構(gòu)和相關(guān)的軟、硬件。 (5)針對現(xiàn)場總線的選擇問題進行了深入的探討，提出了應(yīng)從數(shù)據(jù)的傳輸類型選擇現(xiàn)場總線的理論依據(jù)；總結(jié)出了數(shù)據(jù)類型與現(xiàn)場總線介質(zhì)訪問控制機制的對應(yīng)關(guān)系；給出了現(xiàn)場總線傳輸速率與傳輸效率之間的聯(lián)系，列出了幾種常用現(xiàn)場總線的性能指標；為現(xiàn)場總線的選擇提供了理論依據(jù)和基本的選用原則。 (6)從多種現(xiàn)場

8、總線之間的集成、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)與DCS的集成和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成三個方面對現(xiàn)場總線的集成問題進行了研究。給出了采用網(wǎng)關(guān)技術(shù)和OPC技術(shù)實現(xiàn)多總線集成的結(jié)構(gòu)框圖，總結(jié)出相關(guān)集成方案的優(yōu)缺點。利用OPCDX、工業(yè)以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)技術(shù)提出了多總線集成的改進方案，給出了系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)框圖，歸納了改進方案的技術(shù)特點，為多總線的集成提供了理論指導(dǎo)。 (7)提出了開發(fā)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的總體設(shè)計方案和具體的硬、軟件設(shè)計方案