（电力电子与电力传动专业论文）交换式工业以太网与时间触发can总线系统的实时性研究.pdf

a b s t r a c t r e a l t i m ep e r f o r m a n c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si ni n d u s t r i a l n e t w o r k s c u r r e n t l y o r g a n i z a t i o n sa n df a c t o r i e si nn a t i v ea n da b r o a dh a v ep r e s e n t e d s o m ei n d u s t r i a le t h c m e ts t a n d a r d s w h i c ha r eb a s e do ne t h c m e t t c p i eh o w e v e r t h e s es t a n d a r d sd o n tp r o v i d ee x c e l l e n tr e a l t i m er e s o l u t i o nf o rt h ed a t al i n kl a y e r s o i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c h o nt h eb a s eo ft h en e t w o r kc a l c u l u sm o d e lo fc r o s s b a re t h e r n e ts w i t c ha n dt h e m e s s a g e st r a n s m i tm o d e lo ft h ei n d u s t r i a ln e t w o r k s t h ea r r i v a lc u l v eo fi n d u s t r i a l d a t aa n dt h es e r v i c ec r r v eo fs w i t c ha r eg o t f r o mt h et w oc u r v e st h et r a n s m i td e l a y b o u n da n dr e l a t i v er e q u i r e dm e m o r yb o u n dw e r ee d u c e d t h e s er e s u l t sc a ni n s t r u c t t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h ei n d u s t r i a le t h e r n e t t or e s o l v et h ep r o b l e m so f t r a n s m i tr e l i a b i l i t ya n ds c h e d u l i n gd e l a yo f t h eo u t p u t b u f f e r ap o l i c yo fd e l a yg u a r a n t e e dw i n d o wb a n d w i d t ha l l o c a t i o nw a sp r e s e n t e d w h i c hi sb a s e do nt h ew i n d o wf l o wp r i n c i p l e t h ec r e d i tc l o s e dl o o pw a si n d u c e di n t o s w i t c ht og u a r a n t e et h er e l i a b l es w i t c h w h a t sm o r e t h en u m b e ro fc r e d i t st o g u a r a n t e et h em a x i m u mt r a n s m i td e l a yw a sg o tb a s e d o nt h en e t w o r kc a l c u l u sm o d e l o fi n d u s t r i a ls w i t c h s o t h es u f f i c i e n tb a n d w i d t hc a nb ea l l o c a t e dt op r o v i d ed e l a y g u a r a n t e e dt r a n s m i ts e r v i c ef o rt h eh a r dr e a l t i m ed a t ai nt h ei n d u s t r i a le t h e m e t t or e s o l v et h ep r o b l e mo fc o m p e t i t i o nb e t w e e nr e a l t i m ea n dn o nr e a l t i m ed a t a a l li m p r o v e di n d u s t r i a le t h e m e ts w i t c hw a sp r e s e n t e db a s e do nt h ed o u b l e c h a n n e l s w i t c hm o d e lo fs i m e n s 1 1 l i sm o d e le s t a b l i s h e sr e a l t i m ea n dn o nr e a l t i m el o g i c a l c h a n n e li nt h es w i t c ht or e a l i z et h ed i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e t oi m p r o v et h er e a l t i m e a b i l i t yo fr e a l t i m ec h a n n e la n dt h ef a i m e s s o ft h en o nr e a l t i m ec h a n n e lt h e m r w r ra n di d w r rw c l ep r e s e n t e d w h a t sm o r e a ni n d u s t r i a le t h e m e ts w i t c h c o m p o s e do fp c m u l t i p o r tn i cz x 3 4 6 qa n dl i n u xw a sd e s i g n e dt o v a l i d a t et h e m o d e la n ds c h e d u l i n gp o l i c i e sp r e s e n t e d t oi m p r o v et h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo ft h ef i e l d b u s am i x e dt i m e t r i g g e r e d c a nn a m e dm t t c a nw a sp r e s e n t e d i nw h i c ht h et i m ea x e sw a sd i v i d e di n t o s y n c h r o n o u sp h a s ea n da s y n c h r o n o u sp h a s et o m a k ef i l l lu s eo ft h em e r i t so f t i m e t r i g g e r e d a n de v e n t t r i g g e r e dm e c h a m s m s w ea p p l i e dt h ed e t e r m i n i s t i ca n d s t o c h a s t i cp e t r in e tt h e o r yt om o d e lt h em t t c a na n dr e l a t i v es i m u l a t i o nw a s r e a l i z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e st h a tm t t c a ni m p r o v et h er e a l t i m e p e r f o r n m c 2a n db a n d w i d t hu t i l i z a t i o nr a t e w h a t gm o r e t h en o nr e a l t i m em e s s a g e s c a nb et r a n s m i t t e d b ys e l e c t i n gt h eb a n d w i d t hr a t e i nt h ea s y n c h r o n o u s p h a s e p r o p e r l y k e yw o r d s i n d u s t r i a le t h e m e tt i m e t r i g g e r e dc a ns y s t e m r e a l t i m e n e l w o r kc a l c u l u sb a n d w i d t l la l l o c a t i o n i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果 也不包含为获得叁童盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者张互娆伶字嗍炒了 年伽 2 r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘茎 有关保留 使用学位论文的规定 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在织密后适用本授权说明 学位沦姗者躲工咣体 签字同期 2 驴o 歹 年 工月 2 同 导师签名 扫 l 签字同期 融广年 月 j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 现代企业网络系统模型 1 1 1 现代企业网络系统功能模型 根掘现代企业网络系统中信息类型的不同可将其分为信息层 控制层和设备 层三部分 各个层次之间和每一层的各个设备之间靠通讯网络来连接 各层信 息的特征指标有响应时间 信息量和使用频率等 如图1 1 所示 设备层是指工 业生产环境中的传感器 执行器设备 它直接面向生产 是一系列独立的生产 设备或大型生产线中相对独立的单元的集合 如马达 传感器等 它们之间彼 此协调完成控制层的命令并反馈生产信息给控制层 其工作情况直接决定产品 的性能 控制层完成对设备层生产过程的监控 负责生产任务的分发和执行结 果信息的搜集 如现代化流水线或工厂的中央控制设备就处在控制层 其通讯 特点是 高可靠性 高使用频率 低信息量 信息层是现代企业 尤其是制造 型企业 中大量的生产和办公计算机的信息中心 同时也是和外界交流信息的 接几 大量的非实时信息决定了它对高带宽的需求 响廊时州t 旦鼍蚀川糊串 睦 短 人 小 少 图1 l二层t 业网络信息特征 为了使企业网络信息系统便于维护和扩展 可将其进一步划分为6 个子系 统 如图l 2 所示 分别是决策系统 管理系统 计划系统 调度系统 监控系 统和直接控制系统 企业决策系统根据企业内部 外部信息 对企业经营 产 品策略的中长期目标与规划提出决策支持 管理系统对厂级 车间级 科室级 的q p 务信息实现集成管理 并按照决策系统的指令形成逻辑策略 生产计划调 度系统完成生产计划分解 生产统计等功能 形成详细的生产计划 生产策略 和过程策略 监控系统实现过程优化 高等控制 统计控制 故障珍断等功能 现场直接控制系统则完成生产过程的检测与常规控制 6 个子系统在计算机网 络 实时数据库和关系数据库的支持下协调运行 从而形成以实时数掘库 关 第一章持论 信 息 瑶 柠 制 层 设 捋 层 豳1 2 现代企业网络系统功能模型 系数据库为中心的数据集成环境 如图1 3 所示 为实现大型企业内部各个层次 日j 的数据资源共享和优化奠定基础 瑚1 3 企业数据信息集成环境 1 1 2 当前工业网络的通信模型 有信息交换的地方就有网络的存在 随着工业系统信息交换需求的不断增 加 以太网以其与i n t e n l e t 无缝连接的天然优势开始向工业网络系统渗透 并迅 速占领了信息层和控制层 图i 4 为现有工业网络系统的通信模型 信息层采 用以太网进行汇聚并通过网关 路由器等设备与i n t e r a e t 连接 其传输的数掘主 第一章绪论 要是生产调度 计划 销售 库存 财务 人事等非实时信息 工业网络系统 的控制层传输的数据除了传统的测量 报警 执行等控制命令信息外 还有显 示更新数据 工业视频等非实时信息 随着交换机的出现 以太网的实时性能 有了较大改善 已经能够完全胜任现有控制层的实时任务 由于设备层对信息 的传输有着严格的硬实时需求 通常采用技术成熟 运行稳定的现场总线 如 c a n p r o f i b u s l o n w o r k s 等 它是工厂信息集成系统的最底层 也是整个一i 层网络信息系统中实时性要求最高的一层 其实时要求可达n s 缴 设备层与控 制层之间采用f i e l d b u s e h t e m e t 网关进行协议转换 在一个大型工业系统中 由 于设备价格 系统扩容等因素的影响 可能存在多种现场总线方式 不同总线 段之问的信息互通可采用两种方式 一是将信息汇集到控制层 通过以太网进 行传输 二是 在设备层各个总线段之间采用协议转换网关等设备实现互连 随着工业控制系统的韵功能和设备单元的个数不断增自 这种通信格局的弊 端同渐突出 主要有以下几点 1 不同的控制层面采用不同标准 使得数掘 的传输无法从底层直接上传 不能实现远程诊断等功能 尽管各个总线厂商都 在针对不同总线开发相应的网关等设备进行转化 但其造成了较大的设备丌销 和带入了新的延迟 2 现场总线本身固有的速率低的状况无法得到根本改辫 3 控制层的多种现场总线共存的现象不利于设备问的互连互通和设备选型 信 一 控 一 设 图i 4 当前 丁业通讯结构 3 第一帝绪论 而且对生产设备的扩容和更新换代都带来了一定的困难 4 执行效率低 结 构臃肿 因此 人们开始寻求一种更加简单 高效的网络互联形式对原有的三 层网络结构进行改造 而以太网以其高速 廉价 可靠而得到了业界的一致 认可 经过工业定义 改造后 实现网络控制系统信息层 控制层和设备层的 无缝连接的以太网被称为 工业以太网 1 1 3 工业以太网通信模型 工业以太网应用到n c s 中 提高了网络系统的带宽 降低了系统丌销 简 化了系统结构 增强了系统的可维护性 使网络控制系统发展到了一个新的阶 段 尤其重要的是 它能充分利用现有i n t e m e t 的软 硬件资源实现工业系统的 远程控制和诊断等广域控制功能 图1 5 是应用工业以太网连接的网络控制系统 结构图 可见 其省略了原系统 图i 4 中臃肿而繁琐的设备层各个设备l 日j 和 控制层与信息层之 日j 的协议转换 工业以太网成为信息交换的唯一网络 这在 大大降低系统建设成本和传输延迟的同时 使得整个系统结构清晰 连接方便 而且1 0 0 m b p s 的传输速率为海量数据的传输提供了可靠的保障 倍 一 控 一 设 图1 5i 业以太网通讯结构 掘美国权威调查机构a r c a u t o m a t i o n r e s e a r c h c o m p a n y 报告指出 今后 e t h e m e t 不仅继续垄断行业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市 4 第一章结论 场 也必将领导未来现场总线的发展 e t h e m e t 和t c p i p 将成为器件总线和现 场总线的基础协议 美国v c d v e n t u r ed e v e l o p m e n tc o p 调查报告也指出 e t h e r n e t 在工业控制领域中的应用将越来越广泛 市场占有率的增长也越来越 快 将从2 0 0 0 年的1 1 增加到2 0 0 5 年的2 3 1 2 工业以太网 1 21 以太网的发展历程 1 9 7 5 年美国x e r o x 公司和s t a n d f o r d 大学建造的一个2 1 9 m b p s 的c s m a c d 载 波监听多路访问 冲突检测 系统 这是以太网 e t h e m e t 的最初形式 它以无 源电缆作为总线来传送数据 在1 0 0 0 m 的电缆上连接了1 0 0 多台计算机 并以曾 经在历史上表示传播电磁波的以太 e t h e r 来命名 随后 d e c i n t e l 及x e r o x 合 作公白了以太网物理层和数据链路层的规范 称为d i x 规范 在此基础七 1 9 8 2 年电气和电子工程师协会 i e e e 制定了i e e e 8 0 2 3 标准 1 9 9 0 年2 月 该标准被 国际标准化组织采纳 正式成为国际标准 严格来讲 以太网与i e e e 8 0 2 3 在介 质访问控制层 m a c 上采用了相同的c s m a c d 协议以及极为类似的帧格式 然 而并不完全相同 但人们习惯上将i e e e8 0 2 3 标准即视为以太网 按照i s o 0 s i 的7 层参考模型 以太网标准只定义了物理层和数掘链路层 作为一个完整的通 信系统 以太网需要高层协议的支持 7 0 年代中期 美国国防部为其a r p a n e t 广域网 即现在的d a j 诤a n e d 开发了t c p i p 高层通信协议 并将以太网作为其 物理层和数掘链路层的协议 从此以后 以太网便和t c p i p 协议紧密捆绑在一 起了 近年来 由于舀际互连弼 i m e r n e t 采用了以太网和t c p f l p 协议并得到广 泛应用 人们甚至把如超文本连接h t t p 等t c p i p 协议组放在一起称为以太网技 术 以太网支持的传输介质很多 包括粗同轴电缆 细同轴电缆 双绞线 光纤 等 其最大优点是简单 经济 因此 深受广大用户欢迎 最初的以太网采用 共享式 网上所有节点访问网络的机会相等 同时 采用c s m a c d 介质访问机 制进行总线仲裁 当多个站点的数据帧同时进入总线而产生冲突时采用l 嗫持的 二迸制指数退避算法b e b b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f d 等待一个随机时问后重新 发送 这种机制使以太网上的各站点无需依靠中心控制就能进行数据发送 网 络负荷较小时 冲突很少发生 延迟低 反之 网络负荷较重时 冲突急剧增 加 网络延迟也响应增加 由于冲突解决而产生的延迟具有随机性 因此数掘 发送的通信延迟不确定性是以太网进入工厂底层网络的主要障碍 第一章绪论 在i e e e s 0 2 3 标准基础上 随着一些新的协议标准 i e e e s 0 2 1 p i e e e 8 0 2 i q 全双工通信和s t p 等 的提出和新设备 s w i t c h 的采用逐渐形成了传输延迟确 定的交换式以太网 交换式以太网的核心是交换机 它相当于一个智能集线器 它能够读取并处理到达数据的目的地址 并把数据发送到需要的端口 因此多 个节点能够同时传输数据 网桥也能实现这种功能 但它只有两个端口 与路 由器相比 交换机基于m a c 地址进行转发 而路由器必须解析网络层头信息 并在将数据包转发到目的网段i j 修改头信息 数掘处理丌销更大 共享式以太 网中的所有的网络节点共享同一物理媒体 某一时 b j 只有一个节点可以发送数 据 当节点数目增加并有可能超过网络的负载时 必须采用网桥或者路由器把 网络分割成较小的冲突域 交换杌则更擅长把大的冲突域分割成小的冲突域 甚至为单个设备提供独立的冲突域 有效的减少甚至消除碰撞 当节点位于独 立的冲突域时 就拥有了整个交换机端口的带宽来供自己使用 这就是微网段 或微冲突域 技术 它有效的消除了多个节点之间的竞争 节点发送数掘时 不再受限于c s m a c d 机制的限制0 1 共享式以太网属于半双工通信系统 数掘 能够在两个方向上传输 但在给定时问 节点只能是发送或者接收数掘 在采 用同轴电缆的以太网中 由于采用同一条导线并在同一频率上发送和接收数掘 因此不可能实现全双工传输 在基于集线器的以太网中 虽然双绞线为数据的 发送和接收提供了不同的导线 但接收导线需要用来接收来自集线器的碰撞通 知 因此也不能实现全双工传输 而在交换式以太网中 当采用微网段技术后 每个冲突域中只有一个节点 没有必要再进行碰撞检测和退避操作 原来接收 碰掩通知的导线可以用来接收有效数据 因为取消了c s m a c d 机制 节点和交 换机都可以随时发送和接收数据 因此可以实现全双工传输 1 为了保证 c s m a c d 机制正常工作 在1 0 m b s 的共享式以太网中 两个节点之间允许的最 大距离不能超过2 5 0 0 m 对于l o o m b s 以太网 每个网段的最大距离为1 0 0 m 大 大限制了以太网的空间规模 当需要扩充时 只能采用网桥或者路由器来实现 交换式以太网引入微网段和全双工模式后 不仅可以为节点提供更高的通信带 宽 而且为以太网的扩充提供了更灵活的解决办法 由于不再受限于可检测的 冲突域距离 只要信号强度允许 节点 日j 的距离可以任意的扩展 交换式以太网是以太网技术发展的一个新阶段 具有速度快 可达1 0 g b p s 组网灵活 结构清晰和便于维护等优点 适合组建大型的工业网络 交换式以 太网的出现是以太网技术发展的一次重大飞跃 这种从 共享式 到 独占式 的转化使得以太网直接应用到实时的工业控制领域成为可能 交换式以太网的 出现为成熟的工业以太网的实施奠定了坚实的基础 6 旃亭缔沦 1 2 2 工业以太网标准 在工业网络控制工程应用方面 美国的r o c k w e l l 法国s c h n e i d e r 德国 s i e m e n s 在工业网络控制产品开发和系统解决方案支持方面占据了世界的大部 分市场份额 并引领着工业网络化控制的潮流 各大公司均提出自己的三层控 制网络结构 而且针对网络中不同层次 丌发自主的通信协议 通信设备 拧 制设备和软件包 目前在设备层主要使用现场总线 s c h n e i d e r 使用m o d b u s 协议 r o c k w e l j 使用基于c a n 总线的d c v i c e n e t 协议 s i e m e n s 使用p r o f i b u s 总线协议 而且 还同时存存f f l o n w o r k s 等总线 多种现场总线并存 无法统一和混用 处于 自家争鸣的状态 而随着以太网等商用主流通信技术已渗透进入工控领域 出 现了工业以太网之争 1 9 9 8 年美国f i e l d b u sf o u n d a t i o n 决定采用高速以太网h s e 技术丌发h 2 现场总线 c i c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l 工业以太网协会和丌放 的d e v i c e n e t 供应商协会 o d v a 于2 0 0 0 年3 月发表了e t h e m e t 1 p 规范 p n o p r o f i b u sn a t i o n a lo r g a n i z a t i o n 组织于2 0 0 1 年8 月发表的p r o f l n e t 法国 s c h n e i d e r 于2 0 0 2 年5 月提出m o d b u st c p 规范 下面介绍四种主流的工业以 太网标准 1 h s e h i g hs p e e de t h e r n e t 高速以太网 h s e 是现场总线基会会在摒弃了原有高速总线1 4 2 之后的新的工业以太网标 准 f f 现场总线基会会明确将h s e 定位于实现控制网络与互连i n t e m e t 的继承 停 h s e 镀接设备h l 将网段信息传送到以太网的主干上并迸一步送到企业的 e r p 和管珂系统 操作员在主控室可以直接使用网络浏览器查看现场运行情况 现场设备同样也可以从网络获得控制信息 h s e 在i s o o s i 的低四层直接采用 e t h e m e t t c p i p 在应用层和用户层直接采用f fh i 的应用层服务和功能模块 进行规范 并通过链接设备将f f h 1 网络连接到h s e 网段上 h s e 连接设备同 时也具有网桥和网关的功能 它的网桥功能用来连接多个h 1 总线网段 h s e 主 机可以与所有的链接设备和链接设备上挂接的h l 设备进行通信 实现监控和报 表功能 监视和控制参数可直接映射到标准模块或者 柔性模块 f f b 中 2 p r o f i n e t p r o f i b u s 国际组织针对工业控制要求和p r o f l b u s 技术特点 提出了基于以太 网的p r o f l n e t 它主要包含三个方面的技术 1 基于通用对象模型 c o m 的分佃式自动化系统 2 规定了p r o f i b u s 和标准以太网之 口j 的丌放 透明通信 3 提供了一个包括设备层和系统层 独立于制造商的系统模型 p r o f l n e t 采用标准t c p i p 以太网作为连接机制 采用标准t c p i p 协议加上应用层的 第一霄绪论 r p c d e c o m 束完成节点之触的通信和网络寻址 它可以同时挂接传统p r o f i b f i s 系统和新型的智能现场设备 现有的p r o f i b u s 网段可以通过一个代理设备 p r o x y 连接剑p r o f l n e t 嘲络当中 使整个p r o f i b u s 设备和协议能够原封不动地在 p r o f l n e t 中使用 传统的p r o f i b u s 设备可通过代理p r o x y 与p r o f l n e t 上面的 c o m 对象进行通信 并通过o l e 自动化接口实现c o m 对象之间的调用 3 e t h e r n e l p e t h e r n e t i p 以太网工业协议 是主推c o n a o l n e t 现场总线的r o c k w e l l 公司 对以太网进入自动化领域作出的积极响应 e t h e r n e t i p 网络采用商业以太网通 用芯片 物理介质和星型拓扑结构 采用以太网交换机实现各设备 日j 的点对点 连接 能同时支持1 0 m b s 和1 0 0 m b s 以太网商用产品 e t h e r n e t i p 的协议由 i e e e 8 0 2 3 物理层和数据链路层标准 t c p i p 协议组和控制与信息协议c i p c o n t r o ll n f o r n m t i o n p r o t o c 0 1 三部分组成 前两部分为标准的以太网技术 为 了提高设备i 日j 的互操作性 e t h e r n e t i p 采用了c o n t r o l n e t 和d e v i c e n e t 控制叫络 中相同的c i p c i p 一方面提供实时l o 通信 一方面实现信息的对等传输 其 控制部分则用束实现非实时的信息交换 4 e p a 由于丁业摔制网络不仅是一个完成数据传输的通信网络 而且还是一个借助 网络完成控制功能的控制系统的重要组成部分 因而它需要在应用层 用户层 等高层协议与规范上满足开放系统的要求 满足互操作条件 目前商用以太网 应用层协议的数据结构等特性不适合应用于工业控制领域 因此 在研究将以 太网应用于实时性较强的工业控制领域时 还必须解决在e t h e m e t t c p 1 p 协议 之上 建立为广大设备生产厂商和用户所接受的应用层 用户层协议 进而形 成开放的标准 我国在该领域取得了一定的进展 在国家科技部 8 6 3 的支持 下 浙江大学 中国科学院沈阳自动化所 清华大学等研究的e p a 标准是一种 丌放的现场总线标准 2 0 0 5 年6 月 现场总线国际标准i e c 6 11 5 8 维护工作组 i e c s c 6 5 c m t 9 召丌互连电话会议 e p a 与p r o f i n e ti 0 e 山e m e t i p e t h e r c a t p o w e r l i n k m o d b u s t p r s 等九种工业以太网标准 起 被i e c 接收 并发布为公共可用规范p a s 国际标准化文件i e c 6 1 1 5 8 的第四版中 e p a 解决 了工业现场设备阃通信的确定性通信调度 总线供电 网络安全 可互操作等 技术 并提出了基于e p a 的分布式控制系统结构体系 构建了基于以太网的从 现场传感器 执行机构到基于w e b 的管理层的企业综合自动化网络平台 研究 了工业以太网与各种现场总线 无线局域网 蓝牙技术等通信协议进行互连和 信息的无缝集成 根据工业控制应用对通信实时性的要求 提出了基于t c p f l p 协议 并为广大自动化厂商和用户所接收的应用层协议 并成为丌放的标准 8 第 帝绪论 此外 施奈德公司从系统角度提出了一种称为 透明工厂 t r a n s p a r e n t f a c t o r y 的现代工业网络解决方案 它将工厂的商务网 车间的制造网络和现 场级的仪表 设备网络构成畅通的透明网络 并与w e b 功能相结合 与工厂的 电子商务 物资供应链和e r p 等形成整体 其物理层和数据链路层采用通用的 以太网 在传输层采用t c p i p 协议 在应用层采用m o d b u s t c p 的5 0 2 端口 的协议功能框架 这是一种丌放的 基于i n t e r n e l 技术的自动化体系结构 能够 在工厂级设备和商业系统之 日j 提供无缝的通讯连接 使商业系统可以从任何地 方访闯到工厂网络系统中的任何一台设备的实时数掘 r o c k w e l l 公司提出 n e t l i n x 三层工业控制网络平台方案 控制层与设备层在低层协议上均基于c a n 总线 而在高层传输协议上 三层网络都遵从e t h e m e t f l p 工业以太网协议中的 控制和信息协议 c i p 三层网络可以通过路由器方便地实现互连 1 2 3 现有工业以太网实时性 通过对上述四种已有的工业以太网标准的分析可知 工业以太网目前主要应 用在实时性不赢的控制层和信息层 四种杯准都采用了e t h e 玎1 e t t c p i p 的系统 架构 并对 l 业以太网的信息层 控制层以及与设备层的无缝连接给出了适用 于工业环境的描述 这些杯准对工业网络系统进行了有效的广域扩展 为工业 网络系统的远程诊断 远程控制以及企业内部综合信息资源的最优化利用打下 了基础 打破了原有工业网络系统的 信息孤岛 现象 是对工业网络控制系 统的一次信息革命 然而 对于工业以太网的设备层的实时性问题 业界还存 在不同的认识 即现有以太网能不能真正满足设备层的可靠性和实时性要求 例如 r o c k w e l l 公司主推的e t h e m e t i p 协议更适用于传送大数据包 而不适用 于传送高实时的模拟或离散的f o 数据 随着以太网的一些新技术的出现 如 微网段划分 全双工 流控等 以太网c s m a c d 机制所带来的冲突延迟不确 定性问题得到了根本解决 但是它也带来了新的问题 如交换机的采用在解决 冲突不确定性的同时也带来了新的延迟 而且在其内部的输出端口缓存中存在 缓存溢出 包丢弃 调度延迟和h o l h e a do f o n l i n e 等现象 由于以太网来 源于实时性要求不高的商业办公领域 因此i e e e 8 0 2 i d 并没有对这些闯题作出 规定 而这在硬实时的工业领域是必须考虑的 因此 对于以太网在设备层的 实时性能的改善和提高还仍然是学者和厂商们不断研究的热点课题 1 3 工业系统的实时性分析 9 鹅一帝绪论 设备层对工业以太网的实时性需求根本上来源于工业系统自身的实时性 包 括延迟 抖动等特征参数 1 实州性 在工业控制系统中 实时性可定义为系统对某些事件的响应时间的可预测 性 即在一个事件发生后 系统必须在一个可以准确预见的时间范围内作出反 映 反应所需要的时间由被控制的对象或过程来决定 例如化工行业中的热化 过程控制所要求的反映时间为秒级 而在高动态的传动控制系统中反映时蚓必 须达到微秒级 根据实时性要求级别的不同可将控制系统分为硬实时系统和软 实时系统 相应的控制系统中的消息也分为硬实时消息和软实时消息 3 2 刳动 j i t t e r 抖动是指同样过程每次完成或响应的时问上的偏差 也就是时i 日j 精度 如图 l 喝所示 其大小对一些过程的控制 a 乘法转化为加法 一 佃其运算 法则按照转化前进行 最小加代数的运算符满足下列特性 运算符八的特性 当口 b e r u 蛔 时 有a 八6 更u 佃 当疗 b c r u 时 口 6 八c 八 6 八c 设存在一个萨 足u 对于所有的a 胄u o a a e a 对于所有的口 r u 有a 八a a 对于所有的a b e r u 蛔 a a b b a a 运算符 的特性 当a b r u 时 有a b e r u 一 对于所有的当a b c e r u 斗 时 叶6 酬6 c 对于所有的d r u e o o r u 口 p p 邓 口 设存在一个u o r u 对于所有的口 r u 计 印 此外 和八的混合运算满足分配律 对于所有的a b c 月u m 0 八6 却 口乜 八 6 0 什 八6 例如 3 a 4 p 5 3 5 八 4 5 2 8 a 9 2 8 2 3 2 广义增函数 w i d e s e n s ei n e r e a s i n gf u n e t i o n 广义增函数是最小加代数中一种基本的函数形式 网络微积分中所有的数据 流函数均为广义增函数 其定义如下 设变量s 和t 满足s t 当且仅当 s 时 称函数 r 为广义增函数 t t r 0a n dt 0 2 5 o t h e r w i s e 枷 翟舯 速辜舢 迸发龇 协s 5 楼梯函数 吩 f f 丁l f 1 r 其中 符号f1 表示向上取整 2 7 l 0o t h e r w i s e 6 阶跃函数 f l l i 1 o 2 8 蜥 1 扣r 1 0d 抽帅船 2 罐 这些广义增函数模型描述了网络中最基本的传输特性 其他较为复杂的传输 形式通过网络微积分运算后可以转化为上述基本函数的组合 2 3 3 最 j 力口卷积 m i n p i u sc o n v o i u t i o n 最小加卷积是将传统代数中的函数卷积定理引入到最小加代数中而形成的 一种新的卷积形式 在 r uf o o 体系中 传统代数中的取积分和求和 运算映射为最小值运算 l s 如j i n f 厂o 2 9 妻八 j j 2 r a i n 2 1o 其中r 表示连续域 z 表示离散域 等式 2 9 2 1 0 可统一表示为 i n f s 第一二帝叫络微积分理论 由 r u 一 体系中的卷积定理有函数a t 和烈 的卷积表示为 g x f f t s g s a s 2 i i 相应的 r u 一 a 体系中的最小加卷积为 他x f 撼 o 订增o 0 7 2 1 2 if 最小加卷积是网络微积分中的一种主要运算方式 在到达曲线 服务曲线和 f l j 近系统小彳i 着蘑要应用 其特性如下 函数八r 和g f 均为广义增函数 贝u j f o g x 0 也是广义增函数 厂o g o h x t g o f 设函数印 满足 当t o 时 等式f r 和f f 0 成立 当t 0 当且仅当函数 或序列 厂满足不等式 2 1 3 时 称函数 为次加函数 第二帝网络微积分理论 j j f o 八j 2 一1 3 令 b 则不等式 2 1 3 可转化为 s u 一j 即 厂o w 当 o o 时 有 圆 x f 与次加函数不同 次加近似不是一种函数类型 而是通过最小加卷积得到的 某一函数的收敛函数 其定义如下 设函数是一个广义增函数 f 表 t d 4 r 1 t t s r 3 t 3 r l t l t 2t 4 t lt 3t 5 图 a t a 4 r 3 t 3 r g 2 r l t i t lt 2t 3t 4 图 b 圈2 3 最小加卷积的几何表示 示对函数厂自身进行 月 1 次最小加卷积 即函数厂的次加近似用7 表示 7 磊 r f a 驴o 扩 厂o a 蝶 厂 2 1 4 对于两个广义增函数厂和g 次加近似满足以下特性 如果f o 那么7 i 西i 7 0 次加函数 函数的次加近似和卷积三者的关系如图2 4 所示 在一定条件下 三者是可以相互转换的 第二章m 络微积分理论 i o 且函耀次加函数 j 玺i2 4 次加函数 次加近似和最小加卷积二者的大系 2 3 5 最小加解卷积 m i n p iu sd e c o n v o i u t i o n 与最小加卷积不同 最小加解卷积是建立在取大运算 v 基础上的一种卷 积形式 其定义如下 最小加解卷积 设 f 和烈 是两个广义增函数 则两者的最小加解卷积为 u o g f s u p 厂 一g 卸 其巾 符号 表示最小加解卷积 o 最小加解卷积是网络微积分在网络系 统的输出数据流计算中有着重要应用 其特性如下 如果 s g 则有 0 g oh x t 0 f x 0 2 o g o g oh x t 厂o go o g og o g0g x t 当且仅当厂 g o x f 时 o g f f 当u 0 9 x t 是次加广义增函数时 有 o f x o o 2 4 最 j q m 系统理论 广义增函数 最小加卷积和次加近似构成了最小加代数的基本元素 也是网 络微积分得以发展的基础 然而 作为一个完整的数学体系 除了这些基本要 素外 还需要系统级的运算和求解方法 最小加系统理论就是在网络微积分理 论的形成过程中逐渐完善起来的 是对最小加代数的有利补充 反过来 最小 加系统理论的形成也促进了网络微积分理论向更深层次发展 2 4 1 最小加系统操作符 所谓系统操作符是指描述和计算系统输入输出i 日j 映射关系的符号 它将函数 l n j 的卷积 取小和次加近似操作扩展到了向量 矩阵问的运算 第二章网络微积分理论 2 4 1 1 八和 搜j 为有限的j 下整数 向量i 一2 j e r 则两个向量之间取小运算符和加运算 为 a 和 不等式js 表示对于任意的下标 o j j 不等式z 成 立 两个矩阵a b e 月 x r 之间的取小操作为各个对应项的取小 矩阵与矩阵 白j 的操作c 纠十口表示对于所有的 s t s 有 q z l i i s j r j 口i 6 矩阵与向 量进行最小加操作结果为向量 如 一 则 m i n a 2 4 1 2 最小加卷积运算 当向量和矩阵中的各项为广义增函数 或序列 时 最小加卷积运算州下 1 矩阵与向量的最小加卷积 设矩阵a 为j x j 的广义增函数矩阵 小加卷积为 爿 x f i n f a c t j j j 三为j 的广义增函数向量 则两者的最 2 1 5 甘中对应项计算为霉虫锄 一 f i n f m i n a t d 乃o 例如 巴0 0 冲陋 r 纠 f 2 l 阵与缶卜阵的最小加卷积 设矩阵 b 为厶 的广义增函数矩阵 则两者的最小加卷积为 a a x t 5 聪 卸一 荆 2 1 6 对于所有的l 向量最小加卷积操作符c c z i 歹 c z i o j f i n k z t s j o 其中i f 和阳 为 维向量 为d x d 维向量 只 f 2 恕 墨氅 q f s o 2 移位操作符岛 s i f j 灭f s i x f 琢一r 其中t 为正实数 移位操作符与卷积是 有关联的 文献 3 3 1 介绍了能够将二者关联在 起的矩阵 称为移位知 阶 d 其由迸发延迟函数和o o 组成 d r f 品 f 其中t o 移位操作符可以用卷积表示为s r c 3 上半连续操作符c l i p p e r s e m i c o n t i n u o u so p e r a t o r 当向量集瓯 满足n i n f 玩 j 平 n j 时 称系统映射操作符n 为上半连 续操作符 巳 c z k 和研均为上半连续操作符 4 下半连续操作符 l o w e rs e m i c o n t i n u o u so p e r a t o r 当向量集瓯 满足 fs u p 阮 1 s u p n j 时 称系统映射操作符n 为下半 n 连续操作符 5 异位操作符 i s o t o n eo p e r a t o r 当向量置 j 时 如果不等式兀瓴 n g 成立 则映射操作符n 是异位 素操作符 所有的上半连续操作符都是异位素的 1 0 s t o n e 这是因为 置 i 时 i ai i 又因为n 是上半连续的 因此兀6 n j a 第一二市时络微积分理论 毛 n j 1 n g s n g 即n 是异位速操作符 6 最小加线性操作符 m i n p l u sl i n e a ro p e r a t o r 在传统代数体系 r u 0 0 中 当拥有多个输入的系统的输出 是系统输入的线性组合时 称该系统为线性系统 最小加系统类似 对 于所有的标量i o 当半连续系统映射操作符n 满足n 女 n 霸 女 时 称 为最小加线性操作符 该系统称为最小加线性系统 由 可知 操作符巴 白 k 和研是最小加线性的 而见和最不是最小加线性 的 7 临时操作符 c a u s a lo p e r a t o r 一个系统在时刻 的输出只与t 时刻i 的输入有关