两级主从控制系统以太网协议的研究

论文摘要

两级主从控制系统以其简单的结构被广泛应用在从节点数目较多、现场设备分散且对通信实时性要求较高的工业控制领域。随着工业自动化程度的不断提高,两级主从控制系统对组网灵活性及通信实时性和可靠性提出了更高要求。论文在研究现有工业以太网技术的基础上,根据两级主从控制系统“一主多从”的结构特点,将集总帧通信的思想应用到两级主从控制系统数据和指令的传输,提出了新的以太网通信协议。新协议对传统以太网的通信模型进行改进,以改善其在两级主从控制应用中存在的网络节点逐一编址、组网不灵活,及有效数据传输率低、通信存在不确定性的缺点。在新协议中网络从节点的编址巧妙、简单,只需主节点发起一次通信实现,;在信息及数据传递时采用集总帧的形式,将所有从节点的信息封装到一个报文传输,协议有效数据传输率高;采用单向环形的网络结构,消除以太网通信的不确定性,并在从节点延迟转发报文并处理的机制下,实现了信息在网络的快速传递和交互。在新协议基础上,论文采用SOPC技术,分别设计了主、从节点并建立了小型的两级主从控制系统实验平台。经实验测量、分析证明,新协议能够满足两级主从控制系统对组网灵活性及通信实时性和可靠性的要求。协议结构简单,实现方便,具有一定的先进性和实用价值。最后为方便系统维护及故障排查,论文还设计了相应的协议分析仪,对两级主从系统传输的指令和数据进行解析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1.本章概述
• 1.2.两级主从控制系统
• 1.2.1.两级主从控制系统的结构和应用
• 1.2.2.两级主从控制系统的信息传输
• 1.3.两级主从控制系统的通信现状研究
• 1.4.研究目标和意义
• 1.5.论文创新点
• 1.6.论文结构和内容
• 第2章 以太网及其在工业中的应用
• 2.1.本章概述
• 2.2.以太网在工业中的应用
• 2.2.1.以太网通信协议
• 2.2.2.以太网协议在工业应用中的不足
• 2.3.工业以太网协议
• 2.3.1.基于TCP/IP的工业以太网
• 2.3.2.EtherCAT工业以太网
• 2.4.改进方案及比较
• 2.4.1.改进方案
• 2.4.2.方案的比较
• 2.5.本章小结
• 第3章 采用集总通信的以太网协议
• 3.1.本章概述
• 3.2.集总通信的报文传输原理
• 3.3.协议的结构
• 3.3.1.各层功能
• 3.3.2.物理层
• 3.3.3.传输层
• 3.3.4.应用层
• 3.4.通信周期
• 3.5.通信报文
• 3.6.协议的运行
• 3.6.1.配置周期
• 3.6.2.信息周期
• 3.7.从节点对报文的处理
• 3.7.1.传输层
• 3.7.2.应用层
• 3.8.系统控制指令集
• 3.9.本章小结
• 第4章 两级主从控制系统节点设计
• 4.1.本章概述
• 4.2.系统设计概述
• 4.3.主节点硬件设计
• 4.3.1.网络接入模块
• 4.3.2.协议处理模块
• 4.3.3.Nios Ⅱ处理器及人机接口
• 4.4.从节点硬件设计
• 4.4.1.协议处理模块概述
• 4.4.2.协议处理模块硬件设计
• 4.4.3.寄存器组
• 4.4.4.校验码的并行计算
• 4.4.5.协议处理模块仿真结果
• 4.5.主、从节点的软件设计
• 4.5.1.主节点软件设计
• 4.5.2.从节点软件设计
• 4.6.本章小结
• 第5章 两级主从控制系统建立和实验
• 5.1.本章概述
• 5.2.两级主从控制系统的建立和实验
• 5.3.两级主从控制系统的通信延迟
• 5.4.通信模型的比较和分析
• 5.4.1.采用集总通信以太网的两级主从控制系统
• 5.4.2.采用轮询机制以太网的两级主从控制系统
• 5.4.3.通信效率的比较和分析
• 5.5.本章小结
• 第6章 两级主从控制系统协议分析仪
• 6.1.本章概述
• 6.2.协议分析仪概述
• 6.3.报文处理模块的设计
• 6.3.1.转发模块
• 6.3.2.接收模块
• 6.3.3.数据缓存及Avalon总线接口
• 6.3.4.报文处理模块的仿真
• 6.4.协议分析仪的软件设计
• 6.4.1.协议分析软件概述
• 6.4.2.协议的解析
• 6.4.3.显示界面
• 6.5.本章小结
• 第7章 总结和展望
• 7.1.总结
• 7.2.展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表论文
• 致谢