实时工业以太网协议转换方法设计与实现
发布时间：2021-06-23 13:54
随着工业4.0以及智能制造的发展,生产现场的实时数据和生产管理的非实时数据需要在同一网络中传输,但是当前的工业以太网厂商提出的标准互不兼容,设备间无法直接实现互联,且无法与非实时数据共存。在这种情况下,时间敏感网络TSN（Time Sensitive Network）应运而生,打通了信息技术（IT）层与运营技术（OT）层,打造了工业现场设备互联互通的“一网到底”的新型工业网络架构。各工业以太网厂商都致力于将自身协议向TSN靠拢,保住市场份额。但是一些较小众的不使用标准以太网帧格式实时以太网技术,它们依赖专用通信芯片,无法直接与标准工业以太网融合,需要进行协议转换。本文针对此类非标准实时以太网的协议转换进行了相关研究。本文首先对工业以太网发展历程及网络间协议转换的现状进行了介绍,通过分析现有协议转换方式的不足阐明了本课题的意义。本文通过分析非标准实时以太网协议转换需求,提出“标准网络控制器组包解析+FPGA网关实时转发”的协议转换方法。本文研究了两种典型的非标准实时以太网相关机制,并将其专用通信芯片的组包解析功能和实时通信功能分别用工控机（IPC）和FPGA完成,替代专用通信芯片。本文分...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１工业实时以太网分类??相应的主站单元的实时性方案则根据使用集总帧或单帧轮询通信方式，有不??
第１章绪论??结构如图１－２所示。网关设备既是网络１的从站，又是网络２的主站，网络节点??功能模块指的是相关协议所需的专用硬件电路模块。??网关??网络１?网络１?网络２?网络２??主节点?从节点?主节点?从节点??功能模?功能模??块?块??图１－２网关功能结构图??当网络１主节点将控制数据发送给网关后，网关首先解析网络１的指令，然??后ＭＣＵ按照事先制定的两种网络之间的协议映射，将网络１的指令格式转换为??网络２的指令格式，并发送给网络２的从节点。除负责协议映射外，ＭＣＵ运行??两个网络的应用层程序，完成协议的组包、解析以及相应的外设控制等功能。这??种方案ＭＣＵ处协议映射关系复杂，操作系统的响应时间是影响实时性能最主要??的因素，当面对较小的通信周期（小于２５０微秒）或者一周期内发起多次通信的??场景时，难以满足要求。赫优讯以及德州仪器等公司针对特定的两种网络协议推??出了专用的协议转换芯片，这种方法实时性能好，但是仅适用于特定网络，通用??性太差。因此，如何完成此类非标准实时以太网的协议转换，是一个值得研宄的??课题。??１．２．２非标准实时以太网主站研究现状??网关是待转换协议的主站，因此研宄非标准实时以太网的协议转换网关，其??主站实现方式的研宄尤为重要。非标准实时以太网物理层与标准以太网相同，但??是通过专用通信芯片ＡＳＩＣ完成数据链路功能，属于硬实时工业以太网。此外，??非标准实时以太网为提高带宽利用率修改了以太网帧格式，缩短了帧头长度；通??过专用通信芯片管理数据帧的收发，在硬件层面保证实时性，抖动校此类网络??是“专网专用”，无法与标准以太网数据共存，操作人员在使用时无需
山东大学硕士学位论文??据帧准备完毕。??４．?ＦＰＧＡ按照事先配置的通信方式和通信周期将控制数据帧发送给非标准??实时以太网的从站；??５．从站设备将返回数据帧返回给网关；??６．网关将完整返回数据帧嵌入标准实时以太网数据帧的有效区域内，上传??至ＩＰＣ标准控制器。??７．重复步骤２－６，完成非标准实时以太网周期通信。??网关１?非标准实时以太网１从站???１￣??％Ｓ５５ｒ?〇（Ｓ）?（｜Ｊ０??ＩＰＣ标准控制器?［?；?网关２?｜非标准实时狀网２祕一—??一＿ＨｎｉｉｆＴｌ?信网络?Ｉ?ｉｎｒＵｄｆｌＵｅ??网关３?非标准实时以太网３从站??ｍ?ｍ＼?ｍ＼??ｉｌｉｌｉａ?３！?—８?—『??ＩＩｈｊ?ＨＩ？?Ｕｉｉ??图２－１非标准实时以太网协议转换方案??如图２－２所示，ＩＰＣ标准控制器下发网络数据帧格式与标准以太网数据帧格??式相同，有效数据区域内为下发至网关处的数据。网关处对应非标准实时以太网??的本周期的控制数据前有４ｂｙｔｅ索引和长度，方便网关进行解析。当本周期需下??发多条数据帧时，按照发送的先后顺序依次排列，并通过不同的索引值间隔开。??｜前导码｜开始符丨＠的地址丨源地址｜?ＶＬＡＮ标签｜网络类型?有效数据?｜帧校验序列??７?ｂｙｔｅｓ?１?Ｂ?６?ｂｙｔｅｓ?６?ｂｙｔｅｓ?４?ｂｙｔｅｓ?２?ｂｙｔｅｓ?４２－１０５０?ｂｙｔｅｓ?４?ｂｙｔｅｓ??网关１数据?网关２数据?网关３数据??索引￣￣｜长度｜非标准实时以太网??｜?２?ｂｙｔｅｓ?２ｂｙｔｅｓ?完整数据帕＇??图２－２以太网数据帧结构图??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]时间敏感型网络技术综述[J]. 宋华振. 自动化仪表. 2020(02)
[2]时间敏感网络的关键协议及应用场景综述[J]. 丛培壮,田野,龚向阳,阙喜戎,王文东. 电信科学. 2019(10)
[3]确定性网络研究综述[J]. 黄韬,汪硕,黄玉栋,郑尧,刘江,刘韵洁. 通信学报. 2019(06)
[4]基于改进卡尔曼滤波的实时以太网时钟同步优化算法[J]. 史仲渊,张华,王旭浩. 浙江理工大学学报(自然科学版). 2019(05)
[5]OPC UA TSN——迈向工业互联网新时代[J]. 智慧工厂. 2018(11)
[6]基于PTPd2的精密时钟同步软件实现方法[J]. 陶稳静,陆阳,卫星,贾向利. 计算机工程. 2019(03)
[7]伺服驱动器MECHATROLINK-Ⅲ总线在多轴联动数控机床上的应用[J]. 於成业,杨春洋. 机械工程师. 2018(06)
[8]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)
[9]基于RTAI实时多线程的冗余双臂机器人轴孔装配方法研究[J]. 高强,赵江海,陈丹惠,赵子毅. 工业控制计算机. 2018(03)
[10]倍福 TSN耦合器EK1000[J]. 自动化博览. 2018(01)
博士论文
[1]集成视觉的运动控制平台设计及测试方法研究[D]. 孙好春.山东大学 2015
[2]网络化运动控制系统的关键技术研究[D]. 姬帅.山东大学 2014
硕士论文
[1]时间敏感网络中的时间同步技术研究[D]. 茹旭隆.西安电子科技大学 2018
[2]基于IEEE802.1AS的低延迟时间感知系统的设计与实现[D]. 郑昊.西安电子科技大学 2018
[3]嵌入式实时通信网关服务器的设计与实现[D]. 张睿.南京大学 2018
[4]基于IEEE 802.1AS的时间同步技术研究[D]. 鲁航.湖南大学 2018
[5]基于PROFINET的动态网关的研究及实现[D]. 李枚娟.成都理工大学 2017
[6]数控系统现场总线混联技术研究与应用[D]. 陆篠华.华中科技大学 2017
[7]基于ERTEC 200P的PROFINET工控网关的研制[D]. 邓正宇.西南科技大学 2017
[8]基于KRTS的总线式软运动控制平台设计及其实现[D]. 林宝.山东大学 2017
[9]基于EtherMAC总线的功能安全I/O从站研究与设计[D]. 田川.山东大学 2017
[10]工业以太网总线测试平台研究[D]. 侯明江.山东大学 2015
本文编号：3245058
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１工业实时以太网分类??相应的主站单元的实时性方案则根据使用集总帧或单帧轮询通信方式，有不??
第１章绪论??结构如图１－２所示。网关设备既是网络１的从站，又是网络２的主站，网络节点??功能模块指的是相关协议所需的专用硬件电路模块。??网关??网络１?网络１?网络２?网络２??主节点?从节点?主节点?从节点??功能模?功能模??块?块??图１－２网关功能结构图??当网络１主节点将控制数据发送给网关后，网关首先解析网络１的指令，然??后ＭＣＵ按照事先制定的两种网络之间的协议映射，将网络１的指令格式转换为??网络２的指令格式，并发送给网络２的从节点。除负责协议映射外，ＭＣＵ运行??两个网络的应用层程序，完成协议的组包、解析以及相应的外设控制等功能。这??种方案ＭＣＵ处协议映射关系复杂，操作系统的响应时间是影响实时性能最主要??的因素，当面对较小的通信周期（小于２５０微秒）或者一周期内发起多次通信的??场景时，难以满足要求。赫优讯以及德州仪器等公司针对特定的两种网络协议推??出了专用的协议转换芯片，这种方法实时性能好，但是仅适用于特定网络，通用??性太差。因此，如何完成此类非标准实时以太网的协议转换，是一个值得研宄的??课题。??１．２．２非标准实时以太网主站研究现状??网关是待转换协议的主站，因此研宄非标准实时以太网的协议转换网关，其??主站实现方式的研宄尤为重要。非标准实时以太网物理层与标准以太网相同，但??是通过专用通信芯片ＡＳＩＣ完成数据链路功能，属于硬实时工业以太网。此外，??非标准实时以太网为提高带宽利用率修改了以太网帧格式，缩短了帧头长度；通??过专用通信芯片管理数据帧的收发，在硬件层面保证实时性，抖动校此类网络??是“专网专用”，无法与标准以太网数据共存，操作人员在使用时无需
山东大学硕士学位论文??据帧准备完毕。??４．?ＦＰＧＡ按照事先配置的通信方式和通信周期将控制数据帧发送给非标准??实时以太网的从站；??５．从站设备将返回数据帧返回给网关；??６．网关将完整返回数据帧嵌入标准实时以太网数据帧的有效区域内，上传??至ＩＰＣ标准控制器。??７．重复步骤２－６，完成非标准实时以太网周期通信。??网关１?非标准实时以太网１从站???１￣??％Ｓ５５ｒ?〇（Ｓ）?（｜Ｊ０??ＩＰＣ标准控制器?［?；?网关２?｜非标准实时狀网２祕一—??一＿ＨｎｉｉｆＴｌ?信网络?Ｉ?ｉｎｒＵｄｆｌＵｅ??网关３?非标准实时以太网３从站??ｍ?ｍ＼?ｍ＼??ｉｌｉｌｉａ?３！?—８?—『??ＩＩｈｊ?ＨＩ？?Ｕｉｉ??图２－１非标准实时以太网协议转换方案??如图２－２所示，ＩＰＣ标准控制器下发网络数据帧格式与标准以太网数据帧格??式相同，有效数据区域内为下发至网关处的数据。网关处对应非标准实时以太网??的本周期的控制数据前有４ｂｙｔｅ索引和长度，方便网关进行解析。当本周期需下??发多条数据帧时，按照发送的先后顺序依次排列，并通过不同的索引值间隔开。??｜前导码｜开始符丨＠的地址丨源地址｜?ＶＬＡＮ标签｜网络类型?有效数据?｜帧校验序列??７?ｂｙｔｅｓ?１?Ｂ?６?ｂｙｔｅｓ?６?ｂｙｔｅｓ?４?ｂｙｔｅｓ?２?ｂｙｔｅｓ?４２－１０５０?ｂｙｔｅｓ?４?ｂｙｔｅｓ??网关１数据?网关２数据?网关３数据??索引￣￣｜长度｜非标准实时以太网??｜?２?ｂｙｔｅｓ?２ｂｙｔｅｓ?完整数据帕＇??图２－２以太网数据帧结构图??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]时间敏感型网络技术综述[J]. 宋华振. 自动化仪表. 2020(02)
[2]时间敏感网络的关键协议及应用场景综述[J]. 丛培壮,田野,龚向阳,阙喜戎,王文东. 电信科学. 2019(10)
[3]确定性网络研究综述[J]. 黄韬,汪硕,黄玉栋,郑尧,刘江,刘韵洁. 通信学报. 2019(06)
[4]基于改进卡尔曼滤波的实时以太网时钟同步优化算法[J]. 史仲渊,张华,王旭浩. 浙江理工大学学报(自然科学版). 2019(05)
[5]OPC UA TSN——迈向工业互联网新时代[J]. 智慧工厂. 2018(11)
[6]基于PTPd2的精密时钟同步软件实现方法[J]. 陶稳静,陆阳,卫星,贾向利. 计算机工程. 2019(03)
[7]伺服驱动器MECHATROLINK-Ⅲ总线在多轴联动数控机床上的应用[J]. 於成业,杨春洋. 机械工程师. 2018(06)
[8]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)
[9]基于RTAI实时多线程的冗余双臂机器人轴孔装配方法研究[J]. 高强,赵江海,陈丹惠,赵子毅. 工业控制计算机. 2018(03)
[10]倍福 TSN耦合器EK1000[J]. 自动化博览. 2018(01)
博士论文
[1]集成视觉的运动控制平台设计及测试方法研究[D]. 孙好春.山东大学 2015
[2]网络化运动控制系统的关键技术研究[D]. 姬帅.山东大学 2014
硕士论文
[1]时间敏感网络中的时间同步技术研究[D]. 茹旭隆.西安电子科技大学 2018
[2]基于IEEE802.1AS的低延迟时间感知系统的设计与实现[D]. 郑昊.西安电子科技大学 2018
[3]嵌入式实时通信网关服务器的设计与实现[D]. 张睿.南京大学 2018
[4]基于IEEE 802.1AS的时间同步技术研究[D]. 鲁航.湖南大学 2018
[5]基于PROFINET的动态网关的研究及实现[D]. 李枚娟.成都理工大学 2017
[6]数控系统现场总线混联技术研究与应用[D]. 陆篠华.华中科技大学 2017
[7]基于ERTEC 200P的PROFINET工控网关的研制[D]. 邓正宇.西南科技大学 2017
[8]基于KRTS的总线式软运动控制平台设计及其实现[D]. 林宝.山东大学 2017
[9]基于EtherMAC总线的功能安全I/O从站研究与设计[D]. 田川.山东大学 2017
[10]工业以太网总线测试平台研究[D]. 侯明江.山东大学 2015
本文编号：3245058
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