EPL工业以太网协议性能分析及其在DCS系统中的应用

【摘要】随着工业控制系统的发展,工业控制网络经历了从现场总线到工业以太网的变化。工业以太网凭借其通信速率高、实时性强,开放性好、资源共享能力强等优势成为网络控制系统中引人注目的新技术.EthernetPOWERLINK作为工业以太网的典型代表,其硬实时性好、协议开源,且无需任何授权费用,因此在工业控制领域有着非常广泛的应用前景。目前国内外学者对EPL协议的研究主要集中在协议的实时性能以及其在运动控制领域的应用。本文在前人研究的基础上,将从协议的整体架构、性能分析、同步机制、多平台实现以及在集散控制领域的应用等多个角度对EPL协议进行深入研究。本文的主要研究内容和创新如下：1)研究了EPL同步阶段的两种工作模式:Preq/Pres模式和PollResponseChaining模式。首先从理论上给出了两种模式网络性能指标的计算公式,然后利用OPNET分别为其建立网络仿真模型。通过数理分析和仿真分析,得出了这两种工作模式各自的性能特点,为不同场合工作模式的选择提供了依据。2)POWERLINK的PRC模式是一种性能效率更高,周期更短的工作模式,但其通信过程的稳定性,依赖于网络数据传播延迟的测量和从站发送时间点的计算,本文详细地给出了具体的测量方法和计算过程。3)高精度的同步是许多应用场合的要求。POWERLINK提供了两种同步机制：SoC帧同步和分布式同步。本文详细研究了这两种同步机制,在此基础上分析出SoC帧的传播延迟将会对同步的精度造成影响,因此本文提出了一种延迟补偿算法来提高POWERLINK的同步精度。4)本文研究了EthernetPOWERLINK协议在Linux操作系统和FPGA平台上的具体实现过程,并通过搭建简单的EPL通信网络,测试了POWERLINK的同步实时数据传输、异步非实时数据传输以及交叉通信的过程,为EPL协议的实际应用提供了工程实用价值。5)本文将EPL协议应用于大型集散控制系统中,提出了基于EPL的DCS系统的整体架构,并详细讲述了EPL网关的设计方法和EPL网络冗余的多种设计方案,包括双网冗余和多主冗余。解决了大型集散控制系统中系统网络层通信周期长,带宽利用率低的问题。
【作者】谭曲；
【导师】王文海；
【作者基本信息】浙江大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】EthernetPOWERLINK；实时以太网；实时性；网络同步；集散控制系统；网关；冗余；

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