工業(yè)多業(yè)務(wù)流實(shí)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(fù)雜度越來越高，需要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)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(wù)，又有高速強(qiáng)實(shí)時運(yùn)動控制業(yè)務(wù)，甚至還有故障恢復(fù)檢測等業(yè)務(wù)。這種應(yīng)用特征對網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶?shí)時性、穩(wěn)定性、可靠性提出了嚴(yán)峻的要求。在傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，對業(yè)務(wù)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(wù)子系統(tǒng)，并加以獨(dú)立的分析和研究。這些相互

2、獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成了一個個“信息化孤島”，導(dǎo)致工業(yè)實(shí)時應(yīng)用中的信息集成、互訪問和互操作困難，實(shí)時性也得不到良好保證。為此，迫切需要將工業(yè)實(shí)時應(yīng)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(shí)現(xiàn)一個不同信息流能夠?qū)崟r互訪與融合的多業(yè)務(wù)實(shí)時網(wǎng)絡(luò)。
　　然而，目前學(xué)術(shù)界的研究基本僅限于單一業(yè)務(wù)的工業(yè)以太網(wǎng)，很少有多業(yè)務(wù)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)成果。而在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)階段也沒有一個實(shí)質(zhì)性的多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)解決方案。因此研究工業(yè)多業(yè)務(wù)流實(shí)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(yīng)用上都顯得格外迫切。
　　本文在綜述了不同業(yè)務(wù)流的工業(yè)實(shí)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(wù)實(shí)時網(wǎng)絡(luò)的概念，將多業(yè)務(wù)流分類歸納為RT，F(xiàn)RT，以及DR等三種業(yè)務(wù)。以中國自主制定的工業(yè)自動化領(lǐng)域的第一個國際標(biāo)準(zhǔn)EPA為基礎(chǔ)，研究了多業(yè)務(wù)流的分類與建模，工業(yè)實(shí)時以太網(wǎng)通信模型，強(qiáng)實(shí)時業(yè)務(wù)的調(diào)度與優(yōu)化，控制回路在工業(yè)實(shí)時網(wǎng)絡(luò)中的穩(wěn)定性，故障檢測恢復(fù)業(yè)務(wù)建模與自愈時間

4、分析，以及多業(yè)務(wù)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(wù)的區(qū)間。分析了工業(yè)實(shí)時以太網(wǎng)的通信調(diào)度機(jī)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(jī)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(jìn)實(shí)時

5、性并增強(qiáng)FRT業(yè)務(wù)性能的方案。在通信機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)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(shí)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(yīng)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(fù)業(yè)務(wù)沒有考慮到現(xiàn)有實(shí)時業(yè)務(wù)的問題，在原有DRP協(xié)議基礎(chǔ)上提出了全新的DR業(yè)務(wù)?；诰W(wǎng)絡(luò)演算理論，給出了恢復(fù)時間和帶寬占用率模型。對整合了實(shí)時業(yè)務(wù)和DR業(yè)務(wù)的分布式冗余網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了性能分析，給出了優(yōu)化方案。
　　5.提出了一種多業(yè)務(wù)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(wù)融合策略與動態(tài)宏周期調(diào)度算法。建立了多業(yè)務(wù)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)