基于多重组合Petri网的现场总线间多协议转换系统机理研究

论文摘要

现场总线和工业以太网技术的发展给工业控制网络的发展带来了新的机遇,但是也带来新的问题和挑战。工业通信网络协议的多样性给生成厂商和用户提供了广阔的生存空间和应用空间,但同时也造成了多标准共存的混乱局面。为了解决上述问题,既要顾及多方的商业、技术利益,又要推动这一领域快速、有序的发展。能够实现多个工业通信网络兼容的多协议转换技术是一个有效、实用的解决方案。鉴于现场总线协议的多样性,本文选择已获得广泛应用的MODBUS/TCP工业以太网协议和在设备层具有代表性的DeviceNet现场总线、Profibus DP现场总线作为研究对象。深入剖析了各个协议的报文通信过程,基于多重组合Petri网理论和随机高级Petri网理论,建立了多协议转换系统原理模型和性能模型。并从理论和实验两个方面对多协议转换系统的性能进行了分析。然后以一小型锅炉为对象,以多协议转换器为核心设备,构建了能够兼容多种工业通信网络的小型过程控制系统。主要取得以下研究成果:1.提出了多重组合Petri网的概念,指出了结构相似的多个Petri网模型可以基于具有相同作用的公共库所或公共变迁实现组合,为多协议转换系统原理模型的建立奠定了理论基础。2.给出了多重组合Petri网的两个特有性质-状态不变性和行为不变性的定义。并分析了在不同组合情况下,多重组合Petri网的有界性、活性、状态不变性和行为不变性。提出了在不同组合情况下,多重组合Petri网满足以上性质的充要条件,为多协议转换系统原理模型的验证提供了依据。3.以MODBUS/TCP工业以太网协议、DeviceNet现场总线协议和Profibus现场总线协议的通信过程为切入点,将各个通信状态机统一成通信准备、报文通信和通信断开三个阶段,建立了各个总线的通信模型。基于结构相似的各个总线通信模型,以公共报文缓冲区为公共库所,建立了S-多重组合Petri网模型,从而得到了多协议转换系统原理模型,并验证了原理模型的正确性。4.基于多协议转换系统原理模型和具有标识变量随机高级Petri网理论,将随机时间因素引入原理模型的各个变迁,得到了多协议转换系统性能模型,并基于性能模型,定性的分析了多协议转换器的利用率和吞吐率。基于对实际系统的测试数据,定量的分析了系统在不同情况下的吞吐率、丢包率,并对分别采用这两种方法得到的分析结果进行了比较。结合基于性能模型的分析结果和基于系

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 现场总线技术及其性能分析发展概况
• 1.1.1 现场总线技术的发展
• 1.1.2 现场总线性能分析
• 1.2 协议转换方法概述
• 1.2.1 基于形式化描述技术的协议转换方法
• 1.2.2 现场总线间的协议转换技术
• 1.3 协议转换系统的性能分析
• 1.4 课题来源及其研究意义
• 1.5 本文主要内容和结构安排
• 第二章 多重组合PETRI 网的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 多重组合PETRI 网定义
• 2.3 多重组合PETRI 网的有界性分析
• 2.3.1 S-多重组合Petri 网的有界性分析
• 2.3.2 T-多重组合Petri 网的有界性分析
• 2.4 多重组合PETRI 网的活性分析
• 2.4.1 S-多重组合Petri 网的活性分析
• 2.4.2 T-多重组合Petri 网的活性分析
• 2.4.3 ST-多重组合Petri 网的活性分析
• 2.5 多重组合PETRI 网的状态不变性分析
• 2.5.1 S-多重组合Petri 网的状态不变性分析
• 2.5.2 T-多重组合Petri 网的状态不变性分析
• 2.6 多重组合PETRI 网的行为不变性分析
• 2.6.1 S-多重组合Petri 网的行为不变性分析
• 2.6.2 T-多重组合Petri 网的行为不变性分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 多协议转换系统原理模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 MODBUS/TCP 工业以太网服务器节点通信模型的建立
• 3.2.1 MODBUS/TCP 工业以太网协议概述
• 3.2.2 TCP 连接建立、释放状态机
• 3.2.3 工业以太网服务器节点通信模型
• 3.3 DEVICENET 主节点通信模型的建立
• 3.3.1 DeviceNet 协议概述
• 3.3.2 预定义主从连接组的建立、释放
• 3.3.3 主节点通信模型
• 3.4 PROFIBUS 主节点通信模型的建立
• 3.4.1 Profibus 协议概述
• 3.4.2 主-从通信状态机
• 3.4.3 主站通信模型
• 3.5 各总线通信模型的化简
• 3.6 多协议转换系统原理模型的建立
• 3.7 多协议转换系统原理模型的验证
• 3.8 本章小结
• 第四章 多协议转换系统性能模型及分析
• 4.1 随机PETRI 网（SPN）及其性能评价方法[124]
• 4.1.1 SPN 的基本概念
• 4.1.2 基于SPN 的性能评价方法
• 4.2 具有标识变量随机高级PETRI 网的基本概念
• 4.3 多协议转换系统性能模型的建立
• 4.3.1 模型中各个库所/变迁的含义
• 4.3.2 变迁实施速率的影响因素
• 4.4 性能模型的同构马尔可夫链
• 4.5 标识稳定概率的求解
• 4.6 多协议转换器性能分析
• 4.6.1 多协议转换器利用率的变化规律
• 4.6.2 多协议转换器报文吞吐率的变化规律
• 4.7 本章小结
• 第五章 多协议转换系统性能测试及分析
• 5.1 测试的前提条件
• 5.2 测试方法和测试步骤
• 5.2.1 数据上传情况下的测试方法和步骤
• 5.2.2 数据下发情况下的测试方法和步骤
• 5.3 测试结果及分析
• 5.3.1 数据上传情况下的测试结果及分析
• 5.3.2 数据下发情况下的测试结果及分析
• 5.4 基于性能模型和基于系统测试两种性能分析结果比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 多协议转换系统的设计与实现
• 6.1 多协议转换系统的结构
• 6.2 多协议转换器的功能及设计方案
• 6.3 多协议转换器的硬件设计
• 6.3.1 通讯接口模块
• 6.3.2 多协议转换器结构
• 6.4 多协议转换器的软件设计
• 6.4.1 多协议转换报文模型
• 6.4.2 多协议转换的实现流程
• 6.5 多协议转换系统的组网配置
• 6.5.1 工业以太网组网配置
• 6.5.2 DeviceNet 现场总线组网配置
• 6.5.3 Profibus 现场总线组网配置
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间公开发表的学术论文
• 攻读博士学位期间申请的发明专利
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致 谢
• 博硕士学位论文同意发表声明
• 发表意见书