工業(yè)多業(yè)務流實時網(wǎng)絡(luò)建模與優(yōu)化策略研究.pdf

1、隨著工業(yè)信息化與自動化的不斷融合，石油、化工、能源、冶金、制藥、交通、船舶、裝備制造等系統(tǒng)規(guī)模越大越大，復雜度越來越高，需要傳輸?shù)臉I(yè)務信息量也越來越多。其中可能既含有傳統(tǒng)的低速流程控制業(yè)務，又有高速強實時運動控制業(yè)務，甚至還有故障恢復檢測等業(yè)務。這種應用特征對網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶崟r性、穩(wěn)定性、可靠性提出了嚴峻的要求。在傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，對業(yè)務特性要求不同的控制系統(tǒng)通常被分隔為若干個互不相關(guān)的業(yè)務子系統(tǒng)，并加以獨立的分析和研究。這些相互

2、獨立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成了一個個“信息化孤島”，導致工業(yè)實時應用中的信息集成、互訪問和互操作困難，實時性也得不到良好保證。為此，迫切需要將工業(yè)實時應用中的各種信息傳輸融合集成到同一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，以實現(xiàn)一個不同信息流能夠?qū)崟r互訪與融合的多業(yè)務實時網(wǎng)絡(luò)。
　　然而，目前學術(shù)界的研究基本僅限于單一業(yè)務的工業(yè)以太網(wǎng)，很少有多業(yè)務工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)成果。而在實際應用中，現(xiàn)階段也沒有一個實質(zhì)性的多業(yè)務網(wǎng)絡(luò)解決方案。因此研究工業(yè)多業(yè)務流實時網(wǎng)絡(luò)的建模與優(yōu)

3、化策略不論在理論上還是在應用上都顯得格外迫切。
　　本文在綜述了不同業(yè)務流的工業(yè)實時以太網(wǎng)模型以及相關(guān)的調(diào)度和優(yōu)化策略的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀后，首次提出和定義了工業(yè)多業(yè)務實時網(wǎng)絡(luò)的概念，將多業(yè)務流分類歸納為RT，F(xiàn)RT，以及DR等三種業(yè)務。以中國自主制定的工業(yè)自動化領(lǐng)域的第一個國際標準EPA為基礎(chǔ)，研究了多業(yè)務流的分類與建模，工業(yè)實時以太網(wǎng)通信模型，強實時業(yè)務的調(diào)度與優(yōu)化，控制回路在工業(yè)實時網(wǎng)絡(luò)中的穩(wěn)定性，故障檢測恢復業(yè)務建模與自愈時間

4、分析，以及多業(yè)務流融合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架與調(diào)度策略。所做的具體研究工作包括:
　　1.以EPA網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，定量劃分了RT，F(xiàn)RT和DR三種業(yè)務的區(qū)間。分析了工業(yè)實時以太網(wǎng)的通信調(diào)度機理。針對現(xiàn)有EPA相關(guān)研究中缺乏定量理論模型的問題，通過對基于角色平等的分布式協(xié)議機理的分析，建立了相關(guān)的數(shù)據(jù)模型、調(diào)度模型、時間模型，給出了調(diào)度規(guī)劃算法及可調(diào)度性判斷依據(jù)。
　　2.針對面向傳統(tǒng)流程工業(yè)而制定的原版EPA協(xié)議的一些不足，提出了若干改進實時

5、性并增強FRT業(yè)務性能的方案。在通信機理，同步方法，網(wǎng)段劃分，靜態(tài)時問窗口調(diào)度等方面提出了優(yōu)化策略。提出了一種多網(wǎng)段矩形陣列拓撲結(jié)構(gòu)和相應的時間片規(guī)劃方案。
　　3.分析了報文傳輸時延和時鐘同步精度對EPA網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性的影響，提出了新的基于馬爾科夫鏈的時延模型。分析了系統(tǒng)穩(wěn)定時通信宏周期、協(xié)議傳輸時延和時鐘同步精度應滿足的條件。建立了EPA網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型。給出了EPA控制系統(tǒng)穩(wěn)定時可以設(shè)置的最小通信宏周期的計算方法

6、。
　　4.針對以往故障檢測和恢復業(yè)務沒有考慮到現(xiàn)有實時業(yè)務的問題，在原有DRP協(xié)議基礎(chǔ)上提出了全新的DR業(yè)務?；诰W(wǎng)絡(luò)演算理論，給出了恢復時間和帶寬占用率模型。對整合了實時業(yè)務和DR業(yè)務的分布式冗余網(wǎng)絡(luò)進行了性能分析，給出了優(yōu)化方案。
　　5.提出了一種多業(yè)務流融合網(wǎng)絡(luò)的整體框架與解決方案。給出了一種基于廣義宏周期的業(yè)務融合策略與動態(tài)宏周期調(diào)度算法。建立了多業(yè)務流網(wǎng)絡(luò)中的宏觀數(shù)據(jù)模型，流量模型以及有效網(wǎng)絡(luò)利用率模型。針對業(yè)