面向高实时性以太网的OPC UA与TSN协同设计实现
发布时间：2021-10-28 17:29
随着工业4.0的发展,工业智能制造及自动化技术对智能化、标准化、模块化提出了更高的要求。当前传统的以太网主要针对互联网设计,无法满足工业运动控制领域的实时性需求。时间敏感网络TSN的出现有利于进一步提高工业应用数据传输的实时性。此外,工业4.0要求工业现场使用统一的标准总线来实现互联互通,然而市场上现存的多种基于以太网的通信协议均由不同的PLC供应商推广,它们之间无法直接进行数据交换。OPC统一架构（OPC Unified Architecture,OPC UA）作为一种工业通信的数据交换规范,可以有效解决数据通信的访问一致性和标准化问题。然而,OPCUA在工业以太网环境中缺乏实时性保证,无法满足工业通信高可靠、高实时需求的应用场景。在充分研究了目前国内外工业以太网实时性研究的基础上,本文研究了面向高实时以太网的OPC UA与TSN协同设计方案,改进了操作系统内核的实时性,研究了基于TSN数据包收发实时性的TBS队列机制,并基于TSN协同设计改进了传统OPC UA的发布订阅模式使其具有实时性保证。最后通过实验验证了OPC UATSN协同设计方案拥有较高的实时性,能够实现工业现场设备的数...
【文章来源】：浙江理工大学浙江省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 论文背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 TSN实时工业以太网研究现状
1.2.2 工业以太网中基于OPC UA的协同研究
1.3 主要工作
1.4 论文安排
第二章 OPC UA与TSN协同设计
2.1 OPC UA TSN协同设计方案架构
2.1.1 OPC UA TSN实时网络架构
2.1.2 OPC UA TSN系统架构
2.2 工业以太网操作系统实时化
2.3 时间敏感网络TSN
2.4 OPC统一架构
2.5 本章小结
第三章 TSN高实时以太网技术研究
3.1 进程实时调度
3.1.1 普通调度策略
3.1.2 优先级线程处理
3.2 内核抢占与中断
3.2.1 内核抢占
3.2.2 线程处理中断
3.3 时钟粒度
3.4 虚拟内存管理
3.5 互斥访问优先级继承
3.5.1 spinlock自旋锁
3.5.2 优先级继承互斥量mutex
3.6 虚拟化环境中任务实时性保证
3.7 实验测试
3.8 本章小结
第四章 基于时间调度的数据包收发实时性研究
4.1 数据包收发实时性
4.2 基于时间调度的TBS排列规则
4.3 精确控制数据包传输
4.3.1 设置定时器
4.3.2 扩展igb_setup_tc()
4.4 时钟同步
4.4.1 门控制调度
4.4.2 PTP时间同步精确协议
4.5 实验测试
4.6 本章小结
第五章 OPC UA发布订阅机制实时性研究
5.1 OPC UA发布订阅传输机制
5.2 OPC UA发布订阅实时性改进
5.3 OPC UA TSN协同设计网络性能实验测试
5.3.1 往返时间RTT测试
5.3.2 抖动性测试
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
攻读学位期间的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]时间敏感网络技术及其在工业互联网中的运用[J]. 王硕. 电子技术与软件工程. 2018(21)
[2]基于消息代理的OPC UA发布/订阅模式研究与实现[J]. 刘洋,刘明哲,徐皑冬,王锴,韩晓佳,张凝,滕玉坤,江俊慧. 高技术通讯. 2018(06)
[3]基于OPC UA的数控机床制造数字化车间信息交互模型[J]. 王民,曹鹏军,宋铠钰,朱葛龙,张维,赵钦志. 北京工业大学学报. 2018(07)
[4]时间敏感网络技术及其在工业互联网中的应用[J]. 徐骁麟. 电信网技术. 2018(05)
[5]OPC UA TSN:新工业数据通讯解决方案之研究[J]. Dietmar Bruckner. 智慧工厂. 2018(05)
[6]基于OPC UA的数字化车间互联网络架构及OPC UA开发实现[J]. 刘丹,赵艳领,谢素芬. 中国仪器仪表. 2017(10)
[7]通过Sercos和OPC UA工业标准,实现一致的连接[J]. 王锡俊. 国内外机电一体化技术. 2017(04)
[8]工业互联网时间敏感网络应用研究[J]. 虞日跃,刘盈,刘丹. 自动化博览. 2017(06)
[9]时间敏感空间信息网络关键技术研究[J]. 杨辉,白巍,张杰. 无线电通信技术. 2017(03)
[10]实时以太网系统中控制与通信的协同调度方法[J]. 刘宁,吕鲲. 计算机工程与应用. 2017(07)
硕士论文
[1]基于IEEE 802.1AS的时间同步技术研究[D]. 鲁航.湖南大学 2018
[2]Linux实时调度研究及改进[D]. 吴振亚.西安电子科技大学 2014
[3]基于IEEE1588协议的网络同步时钟技术的研究[D]. 张城.浙江大学 2013
[4]嵌入式以太网精确时钟同步技术的应用研究[D]. 周峰.天津大学 2012
[5]基于嵌入式Linux的调度实时化的研究与实现[D]. 程勇明.电子科技大学 2012
[6]嵌入式Linux操作系统实时性的研究与实现[D]. 舒志文.华中科技大学 2007
本文编号：3463091
【文章来源】：浙江理工大学浙江省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 论文背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 TSN实时工业以太网研究现状
1.2.2 工业以太网中基于OPC UA的协同研究
1.3 主要工作
1.4 论文安排
第二章 OPC UA与TSN协同设计
2.1 OPC UA TSN协同设计方案架构
2.1.1 OPC UA TSN实时网络架构
2.1.2 OPC UA TSN系统架构
2.2 工业以太网操作系统实时化
2.3 时间敏感网络TSN
2.4 OPC统一架构
2.5 本章小结
第三章 TSN高实时以太网技术研究
3.1 进程实时调度
3.1.1 普通调度策略
3.1.2 优先级线程处理
3.2 内核抢占与中断
3.2.1 内核抢占
3.2.2 线程处理中断
3.3 时钟粒度
3.4 虚拟内存管理
3.5 互斥访问优先级继承
3.5.1 spinlock自旋锁
3.5.2 优先级继承互斥量mutex
3.6 虚拟化环境中任务实时性保证
3.7 实验测试
3.8 本章小结
第四章 基于时间调度的数据包收发实时性研究
4.1 数据包收发实时性
4.2 基于时间调度的TBS排列规则
4.3 精确控制数据包传输
4.3.1 设置定时器
4.3.2 扩展igb_setup_tc()
4.4 时钟同步
4.4.1 门控制调度
4.4.2 PTP时间同步精确协议
4.5 实验测试
4.6 本章小结
第五章 OPC UA发布订阅机制实时性研究
5.1 OPC UA发布订阅传输机制
5.2 OPC UA发布订阅实时性改进
5.3 OPC UA TSN协同设计网络性能实验测试
5.3.1 往返时间RTT测试
5.3.2 抖动性测试
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
攻读学位期间的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]时间敏感网络技术及其在工业互联网中的运用[J]. 王硕. 电子技术与软件工程. 2018(21)
[2]基于消息代理的OPC UA发布/订阅模式研究与实现[J]. 刘洋,刘明哲,徐皑冬,王锴,韩晓佳,张凝,滕玉坤,江俊慧. 高技术通讯. 2018(06)
[3]基于OPC UA的数控机床制造数字化车间信息交互模型[J]. 王民,曹鹏军,宋铠钰,朱葛龙,张维,赵钦志. 北京工业大学学报. 2018(07)
[4]时间敏感网络技术及其在工业互联网中的应用[J]. 徐骁麟. 电信网技术. 2018(05)
[5]OPC UA TSN:新工业数据通讯解决方案之研究[J]. Dietmar Bruckner. 智慧工厂. 2018(05)
[6]基于OPC UA的数字化车间互联网络架构及OPC UA开发实现[J]. 刘丹,赵艳领,谢素芬. 中国仪器仪表. 2017(10)
[7]通过Sercos和OPC UA工业标准,实现一致的连接[J]. 王锡俊. 国内外机电一体化技术. 2017(04)
[8]工业互联网时间敏感网络应用研究[J]. 虞日跃,刘盈,刘丹. 自动化博览. 2017(06)
[9]时间敏感空间信息网络关键技术研究[J]. 杨辉,白巍,张杰. 无线电通信技术. 2017(03)
[10]实时以太网系统中控制与通信的协同调度方法[J]. 刘宁,吕鲲. 计算机工程与应用. 2017(07)
硕士论文
[1]基于IEEE 802.1AS的时间同步技术研究[D]. 鲁航.湖南大学 2018
[2]Linux实时调度研究及改进[D]. 吴振亚.西安电子科技大学 2014
[3]基于IEEE1588协议的网络同步时钟技术的研究[D]. 张城.浙江大学 2013
[4]嵌入式以太网精确时钟同步技术的应用研究[D]. 周峰.天津大学 2012
[5]基于嵌入式Linux的调度实时化的研究与实现[D]. 程勇明.电子科技大学 2012
[6]嵌入式Linux操作系统实时性的研究与实现[D]. 舒志文.华中科技大学 2007
本文编号：3463091
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/ydhl/3463091.html
