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EPL工业以太网实时策略研究及其在SOE系统中的应用

作　者: 林丹
导　师: 王文海
学　校: 浙江大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: Ethernet POWERLINK 实时以太网 实时性 OPNET 事件顺序记录 时钟同步
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 55次
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内容摘要


近年来,工业控制网络在工业控制系统中发挥着越来越重要的作用。从现场总线到工业以太网,无处不突出工控网络实时性能的重要性,实时以太网成为该领域最引人注目的新技术。Ethernet POWERLINK(EPL)协议由于硬实时性好、开源、便于移植等优点,在工业控制领域有着比较广泛的应用。目前国内外学者对EPL协议的研究大多集中于其在运动控制领域的工程应用,而对协议机理模型仿真分析的研究相对较少。本文从协议整体架构、软件实现、机理建模、实时策略仿真和应用实例等角度对EPL协议进行了深入研究。本文的主要研究内容和创新如下：1)研究了EPL协议在Linux实时操作系统和FPGA平台上的具体实现过程。2)用OPNET软件建立EPL网络仿真模型：根据EPL DLL状态机建立MNDLL、CN DLL进程模型；根据EPL协议层次划分,建立MN、CN节点模型；根据工业现场常用的网络结构,建立网络模型。3)通过研究同步数据的端到端通信延迟来研究EPL协议的同步实时性。模型仿真表明：理想情况下,端到端通信延迟与节点个数无关,与帧长度成正比,与通信速率成反比；EPL协议同步实时性远远好于以太网,完全满足控制领域的实时性要求。4)通过研究异步报警数据的响应延迟来研究EPL协议的异步实时性。提出了一种与现有EPL标准兼容的异步实时报警处理策略,根据该策略分三个情景仿真,研究了EPL协议的异步实时性。5)将EPL协议应用于UWinSOE系统中,解决该系统由于事件发生频率过高,记录易被覆盖的问题。同时,提出了一种基于GPS的SOE时钟同步方法,使UWinSOE系统同步精度达到微秒级。设计了可容纳海量SOE记录的分辨率可达0.5毫秒的事件顺序记录系统。该实例扩充了EPL协议的应用范围。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目录  9-12
1 绪论  12-24
  1.1 工业控制网络的发展  12-15
  1.2 实时以太网协议简介  15-18
    1.2.1 六种实时以太网协议简介  15-17
    1.2.2 协议性能比较  17-18
    1.2.3 Ethernet POWERLINK研究现状  18
  1.3 事件顺序记录系统  18-22
    1.3.1 SOE系统简介  19-20
    1.3.2 现存技术难点  20-22
  1.4 主要研究内容和论文结构  22-24
2 Ethernet POWERLINK协议系统构架  24-36
  2.1 协议整体描述  24-25
    2.1.1 EPL的性能和特点  24
    2.1.2 协议层次结构  24-25
  2.2 数据链路层  25-29
    2.2.1 数据帧格式  25-26
    2.2.2 EPL周期  26-28
    2.2.3 EPL周期计算公式  28-29
  2.3 应用层  29-32
    2.3.1 数据字典  29-30
    2.3.2 服务数据对象SDO  30-32
    2.3.3 过程数据对象PDO  32
  2.4 网络管理层  32-35
    2.4.1 状态一:NMT GS INITIALISATION  33-34
    2.4.2 状态二:NMT GS COMMUNICATING  34-35
  2.5 本章小结  35-36
3 基于Ethernet POWERLINK的协议实现  36-48
  3.1 实现平台  36-37
    3.1.1 实时操作系统  36-37
    3.1.2 FPGA  37
  3.2 实现过程  37-42
    3.2.1 基于Linux的POWERLINK实现  37-40
    3.2.2 基于FPGA的POWERLINK实现  40-42
  3.3 基于EPL的上位机通信的实现与研究  42-46
    3.3.1 网络结构  42-43
    3.3.2 Wireshark获取数据包  43
    3.3.3 分析数据包  43-46
  3.4 本章小结  46-48
4 基于Ethernet POWERLINK协议的实时策略仿真分析  48-66
  4.1 EPL实时性研究任务  48-50
    4.1.1 实时以太网的性能指标  48-49
    4.1.2 端到端通信延迟分析  49-50
    4.1.3 异步实时报警处理策略  50
  4.2 仿真模型  50-58
    4.2.1 OPNET简介  50-52
    4.2.2 Process模型  52-56
    4.2.3 Node模型  56-57
    4.2.4 网络模型  57-58
    4.2.5 数据包模型  58
  4.3 实时性仿真分析  58-64
    4.3.1 最短通信周期MCT  58-59
    4.3.2 同步数据的实时性  59-62
    4.3.3 异步报警的实时性  62-64
  4.4 本章小结  64-66
5 Ethernet POWERLINK协议在UWinSOE系统中的应用  66-82
  5.1 UW500集散控制系统  66-68
    5.1.1 UW500集散控制系统网络架构  66-67
    5.1.2 UW500集散控制系统硬件体系  67-68
  5.2 基于EPL的SOE系统总体设计  68-70
  5.3 全局时钟同步实现原理  70-76
    5.3.1 时钟误差来源分析  70-71
    5.3.2 GPS时钟服务器原理  71-72
    5.3.3 使用改进的NTP服务器同步控制站间时钟  72-74
    5.3.4 使用1PPS秒脉冲序列抑制晶振累积误差  74-75
    5.3.5 SOE记录传输延迟的消除  75-76
  5.4 UWinSOE系统全局时钟同步设计与应用实例  76-80
    5.4.1 UWinSOE系统全局时钟同步设计  76-77
    5.4.2 性能测试  77-79
    5.4.3 成果展示  79
    5.4.4 应用实例  79-80
  5.5 本章小结  80-82
6 总结与展望  82-84
  6.1 成果总结  82-83
  6.2 研究展望  83-84
参考文献  84-88
作者攻读硕士学位期间完成的论文及其他科研成果  88

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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