NCS场景下混合网络时间特性与同步机制研究

发布时间：2020-11-16 14:06

　　 有线的工业总线网络作为骨干网,把无线网络作为对有线网络的补充与延伸,构成混合网络,这种网络结构被认为是可靠且可行的。但是,混合网络在NCS场景下的协同工作需要在原理、算法以及技术体系上进行深入研究,以保证其能满足NCS的控制精度及稳定性要求。针对有线／无线混合网络的时间特征与同步机制进行研究,可对NCS的理论研究进行有益补充,有助于解决传统工业总线网络在NCS场景中存在的技术死角。论文首先分析了NCS的系统模型,归纳了NCS在通信域和控制域中的基本特征。在控制域内,对典型控制系统内的检测单元、控制单元和执行单元的时延特点进行分析,并提出相应的时延结构；在通信域内,定义了三种可被应用于NCS场景的混合网络拓扑结构。其次,基于实时通信理论,分析了混合网络中三种不同的时间参数及其时序模型,包括：空闲时间参数、间隙时间参数和消息周转时间。针对混合网络中存在队列时延,数据传输可能受到网络拥塞的情况,提出基于时间参数的修正方法。针对NCS中的实时数据交换问题,讨论两种不同类型的数据交换模式,分别是：周期性数据交换和非周期性数据交换。研究了数据交换时间与混合网络链路的数据包错误率之间的关系。第三,选取CAN总线作为混合网络的有线网段,基于IEEE802.15.4协议的WSN作为混合网络的无线网段。提出了适用于NCS场景的周期性数据交换和非周期性数据交换的时序模型。根据这两个时序模型,研究单主配置混合网络与多主配置混合网络的数据交换实时性能,分别给出了顺序轮询方案与交叉轮询方案的轮询时间计算方法。第四,把应用层时间同步看作是周期性数据交换的实例。根据NCS场景下的混合网络时间同步的要求,分析PTP同步机制的时钟模型与同步过程,提出把PTP同步机制扩展到混合网络的技术方案,设计混合网络IS节点的时间同步应用层模型。最后,选择横机的集群控制系统作为NCS实例,验证了研究中提出的实时数据交换模式和时间同步方案,使横机生产实现了高效的集群控制和有序的管理调度。
【学位单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN915.0
【文章目录】：
摘要
Abstract
图索引表
表索引表
缩略词表
第一章 绪论
    1.1 论文的研究背景和意义
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 研究意义
    1.2 研究现状
        1.2.1 工业混合网络的研究现状
        1.2.2 NCS时延问题的研究现状
        1.2.3 时间同步问题的研究现状
        1.2.4 研究现状分析
    1.3 论文的研究工作
        1.3.1 研究内容
        1.3.2 研究方案
    1.4 论文的组织结构
    1.5 本章小结
第二章 混合网络的应用场景分析
    2.1 网络化控制系统
        2.1.1 NCS的结构特点
        2.1.2 NCS的模型
        2.1.3 NCS的工作特点
    2.2 混合网络的结构
    2.3 混合网络的工作特点
        2.3.1 分布式处理机制
        2.3.2 混合网络的介质访问
    2.4 混合网络的时延结构
        2.4.1 典型控制系统的时间结构
        2.4.2 检测环节的时延
        2.4.3 控制环节的时延
        2.4.4 执行环节的时延
        2.4.5 网络环节的时延
        2.4.6 控制系统时延
    2.5 混合网络中的时间同步问题
        2.5.1 NCS中的驱动与同步
        2.5.2 同步时钟的精度要求
    2.6 本章小结
第三章 混合网络的时间特征研究
    3.1 混合网络的消息处理
        3.1.1 混合网络的组成
        3.1.2 消息事务
        3.1.3 物理层帧的时间模型
        3.1.4 IS的中继行为
    3.2 消息事务的时间参数
        3.2.1 空闲时间
        3.2.2 间隙时间
        3.2.3 消息事务的周转时间
        3.2.4 消息事务的持续时间
    3.3 混合网络的拥塞控制
        3.3.1 队列延迟导致网络拥塞
        3.3.2 时间参数的修正
    3.4 混合网络的数据交换时间
        3.4.1 周期性数据交换时间
        3.4.2 非周期性数据交换时间
    3.5 本章小结
第四章 混合网络的数据交换时间性能研究
    4.1 CAN总线的技术特征
        4.1.1 CAN总线的协议体系
        4.1.2 CAN的接口规范
    4.2 IEEE 802.15.4协议的技术特征
        4.2.1 IEEE 802.15.4协议的体系
        4.2.2 IEEE 802.15.4的技术规范
    4.3 混合网络的数据交换服务时序
        4.3.1 周期性数据交换时序
        4.3.2 非周期数据交换时序
    4.4 数据交换的时间性能
        4.4.1 单主配置
        4.4.2 多主配置
    4.5 本章小结
第五章 混合网络的时间同步机制研究
    5.1 时间同步的含义
        5.1.1 时间同步
        5.1.2 绝对时间系统与相对时间系统
    5.2 NCS中的时钟
        5.2.1 时钟偏差
        5.2.2 时钟不精确
    5.3 网络时间协议NTP
    5.4 精确时间协议PTP
        5.4.1 PTP的时钟模型
        5.4.2 PTP的工作原理
        5.4.3 PTP的同步过程
        5.4.4 PTP的时延处理机制
    5.5 时间同步协议栈设计
        5.5.1 混合网络的时间同步的层次模型
        5.5.2 时间戳的处理
        5.5.3 时间同步子系统的结构
        5.5.4 时间同步状态机
        5.5.5 时间同步类
        5.5.6 IS的同步算法
    5.6 本章小结
第六章 混合网络的实时数据交换与时间同步设计实例
    6.1 横机的集群控制
        6.1.1 横机集群的网络结构
        6.1.2 混合网络验证环境
    6.2 横机控制系统
        6.2.1 工艺流程
        6.2.2 机头的驱动方式
        6.2.3 技术指标
        6.2.4 横机现场控制器
    6.3 横机NCS的数据交换
        6.3.1 数据交换流程
        6.3.2 数据交换数据结构
        6.3.3 数据交换数据帧结构
    6.4 横机NCS的时间同步
        6.4.1 时间同步流程
        6.4.2 时间同步数据结构
        6.4.3 时间同步数据帧结构
    6.5 横机集群的数据交换与时间同步实现
    6.6 本章小结
第七章 总结与展望
    7.1 论文的研究总结与创新点
        7.1.1 研究总结
        7.1.2 创新点
    7.2 论文研究内容的前景展望
        7.2.1 研究前景
        7.2.2 后续研究工作
致谢
参考文献
附录A：博士学习期间的学术论文与科研成果
附件

【参考文献】

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本文编号：2886317