分布式PLC网络网关通信的研究

摘要

企业控制网络一般由管理与决策的信息网络和处理现场实时测控信息的控制网络构成。现场总线在底层控制网络得到了大量的应用，但现场总线存在多个标准，且互不兼容。工业以太网作为控制系统网络化发展的新方向，也逐步渗入工业控制网络，所以标准多元化的现场总线与工业以太网共存的局面将长期存在。这就给使用者带来了一个重要的问题--如何实现不同现场总线间的通信访问，以及现场总线与信息网络的信息交换。这将严重影响自动化系统的开放性与互操作性。因此，对于工业生产的综合自动化，实现不同网络之间的通信访问是一项重要的工作。考虑用户在控制现场的已有投入，为用户降低控制网络升级改造所需成本，设计一种兼容性好、可扩展性强的控制网络架构，具有重要的现实意义。在这种工业以太网和多现场总线互联的混合网络架构中，协议转换技术是完成异构网络间通信互联的关键技术。
　　本文对异构网络间互联通信机制进行了深入研究，并对各个机制存在的一些问题，比如开发成本高、扩展性和移植性差的现象进行了分析。在对协议转换网关的工作机制进行详细分析的基础上，提出了基于嵌入式中间件协议库(Protocol-Library Based onEmbedded Middleware，PLBEM)的协议转换网关。利用分层思想和软件复用技术，设计协议库的可扩展性和易移植性；对协议库进行层次化、组件化，定义了嵌入式中间件协议库组件化的原则和粒度控制；并利用共享内存技术实现数据信息的交换。最后，设计并开发了基于ARM的易移植、可扩展嵌入式协议转换网关，实现多协议间的互联通信。
　　针对嵌入式网络控制系统实时性要求较高的特性，研究了传统信息网络中的拥塞控制技术，分析基于端到端的拥塞控制算法以及基于链路的拥塞控制算法。但由于嵌入式网络控制系统具有很多不同于PC网络的特有约束条件，同时在异构网络协议转换过程中的拥塞控制具有相当不确定的复杂问题，可以利用智能控制中的模糊策略来解决这一问题。本文在对“主动队列管理”(Active Queue Management，AQM)拥塞控制技术研究的基础上，提出并设计了基于模糊控制的AQM(Fuzzy-based AQM，F-AQM)拥塞控制算法。仿真结果分析得出，F-AQM算法可以很好的提高协议转换网关的服务质量。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外协议转换网关通信研究概况

1.2.1 国外研究情况

1.2.2 国内研究现状

1.3 论文研究内容

1.4 论文组织结构

第二章 控制网络通信相关技术

2.1 嵌入式系统与可编程逻辑控制器

2.1.1 嵌入式系统结构及特点

2.1.2 PLC工作原理

2.2 嵌入式异构网络分析

2.2.1 异构硬件架构

2.2.2 异构的通信协议

2.2.3 网络间互联设备介绍

2.3 以太网技术

2.3.1 工业以太网概述

2.3.2 TCP/IP协议栈

2.4 工业控制现场总线网络协议介绍

2.4.1 Modbus总线协议分析

2.4.2 CAN总线协议

2.4.3 Profibus现场总线

2.4.4 基金会现场总线(FF)

2.5 本章小结

第三章 基于协议转换网关的网络间通信机制的研究与设计

3.1 异构网络间互联通信机制的研究与分析

3.1.1 基于OPC的异构工控网络互联技术

3.1.2 基于协议转换网关的互联技术

3.2 协议转换网关的设计改进思想

3.3 基于PLBEM的协议转换网关设计策略

3.3.1 协议转换网关工作机制

3.3.2 协议库设计原则

3.3.3 中间件层次化模型

3.3.4 协议组件粒度设计

3.3.5 协议库功能模块

3.4 数据交换方式

3.5 本章小结

第四章 模糊拥塞控制算法在嵌入式网关中的应用研究

4.1 拥塞控制概述

4.2 拥塞控制算法分析

4.2.1 源拥塞控制算法

4.2.2 链路拥塞控制算法

4.3 基于模糊控制的AQM算法基本思想

4.4 F-AQM算法设计与仿真结果

4.4.1 模糊控制算法设计

4.4.2 模糊控制器设计

4.4.3 仿真结果与分析

4.5 本章小结

第五章 协议转换网关的设计与实现

5.1 嵌入式网络网关的关键设计因素

5.2 网关硬件设计

5.3 PLC网络通信协议栈分析与设计

5.3.1 嵌入式TCP/IP协议栈剪裁

5.3.2 MODBUS协议分析

5.3.3 PROFIBUS协议结构

5.4 中间件软件设计

5.4.1 软件设计思想

5.4.2 协议库层次划分

5.4.3 统一接口设计及转换流程程序实现

5.5 基于F-AQM算法的协议转换网关性能分析

5.5.1 F-AQM算法的实现

5.5.2 协议转换网关的性能测试及分析

5.6 应用案例

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 下一步的工作

致 谢

参考文献

附 录

学术论文详细摘要