ControlNet与EtherNet/IP总线的性能研究与分析

论文摘要

随着自动化、计算机、通信网络、控制和模块化集成等技术的发展,工业控制网络也在不断向前发展,从基于模拟信号传输的集散控制系统(DCS),发展到数字化、智能化、全分散的现场总线,再到近年来新出现并且得到迅速发展的工业以太网。本文首先简要介绍了现场总线和工业以太网的发展和研究现状,以及目前流行的几种现场总线和工业以太网,选择其中具有代表性的美国罗克韦尔自动化公司提出的ControlNet现场总线和EtherNet/IP工业以太网为研究对象。本文通过对ControlNet与EtherNet/IP网络模型的描述及各层网络协议的分析研究,总结出它们各自的网络特点,并提出了它们所具有的优势和存在的问题。ControlNet与EtherNet/IP作为工业控制网络,实时性要求高。本文主要通过ControlNet数据链路层的媒质访问控制(MAC)协议,分析研究其通信模式,MAC报文帧结构,并行时间域多路存取(CTDMA)算法,建立和仿真报文传输延时模型,分析网络的实时性能;利用实验方法,分析网络的实时性能,得出一些网络设置结论,对网络优化有实际指导意义。本文还通过EtherNet/IP数据链路层的媒质访问控制(MAC)协议,分析研究其通信模式,MAC报文帧结构,载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)协议,通过报文传输延时模型,分析实时性能,并提出改进实时性能的办法。ControlNet与EtherNet/IP是两种开放式的工业控制网络,其应用层都采用了通用工业协议(CIP)协议,可以实现两个网络信息的无缝集成,本文也对这部分进行了详细的分析研究。文章的最后对ControlNet与EtherNet/IP网络性能、组态及应用进行了分析比较,并展望了其未来的发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1.现场总线技术
• 1.1.1.现场总线的特点和优点
• 1.1.2.现场总线的现状与发展趋势
• 1.1.3.几种典型现场总线简介
• 1.2.工业以太网技术
• 1.2.1.工业以太网的优势
• 1.2.2.工业以太网的发展现状与发展趋势
• 1.2.3.几种典型工业以太网简介
• 1.3.立题意义和体系结构
• 第二章 ControlNet与EtherNet/IP协议的描述与分析
• 2.1.ControlNet底层协议分析
• 2.1.1.ControlNet的物理层协议
• 2.1.2.ControlNet的数据链路层协议
• 2.2.EtherNet/IP底层协议分析
• 2.2.1.EtherNet/IP的物理层协议
• 2.2.2.EtherNet/IP的数据链路层
• 2.2.3.EtherNet/IP的TCP/IP
• 2.3.ControlNet与EtherNet/IP总线的CIP协议分析
• 2.3.1.CIP的特点
• 2.3.2.CIP对象建模
• 2.3.3.设备描述
• 第三章 ControlNet介质访问控制的研究
• 3.1.ControlNet的MAC帧的结构
• 3.2.CTDMA算法分析
• 3.2.1.预定服务时间段
• 3.2.2.非预定服务时间段
• 3.2.3.维护时间段
• 3.3.ControlNet的网络优化
• 3.3.1.ControlNet的实时性分析
• 3.3.2.ControlNet网络的仿真结果
• 3.3.3.ControlNet网络的实验分析结果
• 第四章 EtherNet/IP介质访问控制方法的研究
• 4.1.MAC报文帧格式
• 4.2.EtherNet/IP的通信实时性分析
• 4.2.1.CSMA/CD机制
• 4.2.2.EtherNet/IP端到端的通信延时分析
• 4.2.3.EtherNet/IP的网络性能仿真结果
• 4.3.EtherNet/IP实时性的解决方案
• 4.3.1.优化网络拓扑结构
• 4.3.2.全双工交换式技术
• 4.3.3.虚拟局域网（VLAN）
• 4.3.4.质量服务（QoS）
• 4.3.5.降低网络负载和提高网络传输速率
• 4.3.6.应用信息优先级和流量控制
• 第五章 ControlNet与EtherNet/IP总线比较
• 5.1.网络性能比较
• 5.1.1.ControlNet与EtherNet/IP网络的不同点
• 5.1.2.ControlNet与EtherNet/IP网络的相同点
• 5.2.网络组态比较
• 5.2.1 主从控制系统
• 5.2.2 多主控制系统
• 5.3.网络应用比较
• 第六章 总结与展望
• 6.1.本文工作总结
• 6.2.工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢