基于工业以太网的网络控制系统实时性研究

摘要

随着网络控制技术的飞速发展，工业以太网越来越广泛的应用在自动控制领域。然而，实时性问题仍然是以太网在网络控制系统中应用的主要障碍。为了在以太网的实时性研究方面取得突破，本文以交换式以太网为主要研究对象，研究并改进了IEEE802.1p优先权调度协议。
　　 本文从基于工业以太网的网络控制系统的整体延迟分析入手，研究了网络诱导时延以及工业以太网时延，并确定交换式以太网作为主要研究对象。针对采用IEEE802.1p优先权调度的交换机内部排队延迟，提出了调度改进构想并给出了一种实现方案；为了进一步研究IEEE802.1p优先权调度改进后对网络延迟特性的影响，构建了一个典型的树形拓扑交换式以太网模型，计算了调度改进前后周期性实时数据帧在各个传输环节的最大延迟，同时，推导了调度改进方案应满足的基本条件。最后，采用了网络演算技术和OPNET仿真两种方法，验证了IEEE802.1p优先权调度改进方案对减小交换式以太网延迟上界的可行性和有效性。
　　 通过网络演算和OPNET仿真的结果表明了对IEEE802.1p优先权调度的适当改进可以改善硬实时数据帧在交换式以太网中传输的实时性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 网络控制系统的发展现状

1.2.1 集散控制系统(DCS)

1.2.2 现场总线控制系统(FCS)

1.2.3 工业以太网

1.3 工业以太网实时性研究现状

1.4 本文主要工作

第二章 网络控制系统实时性分析

2.1 引言

2.2 整体时延分析

2.2.1 典型模型的时延分析

2.2.2 网络诱导时延分析

2.3 以太网概况及其实时性分析

2.3.1 以太网的发展简史

2.3.2 以太网的优点

2.3.3 以太网应用中存在的问题

2.3.4 以太网实时性分析

2.4 实时性问题的解决方案

2.4.1 主要解决方案

2.4.2 解决方案对比

2.4.3 其它解决方案

2.4.4 交换式以太网技术

2.5 小结

第三章 交换式工业以太网实时性研究

3.1 引言

3.2 IEEE802. 1p协议应用中的实时性研究

3.2.1 IEEE802. 1p协议简介

3.2.2 IEEE802. 1p协议应用中的实时性分析

3.2.3 对IEEE802. 1p协议的适当改进

3.3 周期性实时数据延迟上界的计算

3.3.1 协议改进前延迟上界的计算

3.3.2 协议改进后延迟上界的计算

3.4 小结

第四章 网络演算理论在实时性研究中的应用

4.1 引言

4.2 网络演算理论简介

4.2.1 网络演算理论的一些基本原理

4.2.2 网络演算理论的一些基本结论

4.3 网络演算理论对交换式以太网最大时延研究

4.3.1 IEEE802. 1p协议改进前的最大时延研究

4.3.2 IEEE802. 1p协议改进后的最大时延研究

4.3.3 IEEE802. 1p协议改进前后的最大时延比较

4.4 小结

第五章 基于OPNET的实时性仿真研究

5.1 引言

5.2 OPNET仿真系统的简介

5.3 基于OPNET的以太网实时性仿真

5.3.1 不同类型的以太网实时性仿真

5.3.2 典型拓扑的交换式以太网实时性仿真

5.3.3 虚拟局域网(VLAN)实时性仿真

5.4 IEEE802. 1p协议应用中的实时性仿真

5.4.1 IEEE802. 1p协议的建模

5.4.2 IEEE802. 1p协议的仿真

5.5 小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢