冗余工业以太网时钟同步方法研究

摘要

现如今，工业生产系统往往具有分布式的结构。在这种结构下，各个生产环节的协调配合严重依赖设备之间的通信，因此必须保证网络即使在发生一定故障的情况下，依旧能够保持畅通，工业上往往采用冗余的方法来实现这一点；同时设备的分散化，也导致系统内有大量独立运行的时钟存在。为保证系统时间基准的统一，需要实现各个时钟的时间同步。所以研究工业以太网的冗余以及时钟同步方法具有重要的理论和现实意义。
　　在综合比较了现有的工业以太网中各种时钟同步及网络冗余的实现方法之后，发现IEEE1588及MRP协议分别是实现时钟同步和网络冗余的较优选择。但协议只是对工作机制的原理性说明，若要应用到实际工程中还需进行诸多实现方面的考虑。现实生产中由于实现方法不当，即使采用了IEEE1588和MRP协议，所设计出的系统也往往达不到理想的时钟同步精度和网络恢复速度。再加上，时钟同步系统在网络拓扑结构发生变化时还存在同步功能恢复过慢的问题。所以探究协议的合理实现方法很有必要。本文正是研究了这两个协议的实现问题。通过所提出的多个实现上的优化方法，以及网络冗余和时钟同步结合之后的改进策略，得到了网络恢复时间更短、时钟同步精度更高的冗余工业以太网时钟同步方法。
　　通过研究，本文得到了以下成果：
　　1、提出了参数量化定界方法。在详细分析了各关键设计参数对性能的作用机制之后，推导出了给定系统性能指标下，参数边界的计算方法，为冗余和同步参数的合理选择提供了基础；
　　2、提出了基于补偿的时间使用值生成算法。通过公式推导分析了时间偏差随真实时间的变化规律，提出了对从时钟时间进行补偿来获取准确时间使用值的算法，使得输出的时间使用值更加接近主时钟；
　　3、提出了MRP协议下时钟同步快速恢复算法。分析了运行MRP协议后系统所呈现的特点，结合这些特点提出了时钟同步快速恢复算法，简化了时钟之间主从关系建立过程，提高了网络拓扑改变情况下时钟同步的恢复速度；
　　4、建立了仿真模型、硬件实验平台、协议软件。结合本文所提出的协议实现时的优化方法，搭建了时钟同步系统的仿真模型，设计和实现了MRP的硬件实验平台和协议软件，并实际运行成功。借助这些平台，通过实验验证了所提各个方法的有效性。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 IEEE 1588及MRP协议应用中的主要问题及研究现状

1.3本文研究内容

1.4论文安排

第二章 IEEE 1588及MRP协议原理简介

2.1 IEEE 1588协议原理简介

2.2 MRP协议原理简介

第三章 IEEE 1588协议的优化实现方法

3.1 参数量化定界

3.2 基于补偿的时间使用值生成算法

3.3 时钟同步系统仿真建模及实验

3.4 本章小结

第四章 MRP协议的优化实现方法

4.1 参数量化定界

4.2 网络冗余系统硬件实验平台设计与实现

4.3 网络冗余系统软件设计与实现

4.4 实际性能测试

4.5 本章小结

第五章 MRP协议下时钟同步快速恢复算法

5.1 问题描述

5.2 MRP协议下系统特点分析

5.3 时钟同步快速恢复算法

5.4 性能提升计算

5.5 仿真及结果分析

5.6 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或已录用的论文