以太网是目前应用最为广泛的局域网通信技术,随着其带宽的提高和价格的不断下降,相对于其他局域网技术具有越来越明显的市场优势.传统共享式以太网区别于其他局域网的主要特点是:它采用CSMA/CD(Cartier Sense MultipleAccess with Collision Detection)作为其介质访问控制协议.CSMA/CD以其简洁性和可靠性,为以太网的推广和普及做出了重要贡献,但其在本质上无法提供通信响应时间的确定性. 目前以太网正逐渐从共享式的集线器(Hub)连接过渡到独享式的交换机(Switch)连接上来.交换机的引入为以太网支持典型的工业实时通信提供了新的契机.当以太网采用微网段全双工通信方式后,每个通信站点都具有独享的通信带宽,其数据的发送和接收不再受限于原有的CSMA/CD协议,大大改进了以太网通信的实时性.但交换机的引入并没有从根本上解决以太网通信的确定性问题,在数据发送的源节点和交换机内,实时数据仍然可能因为同非实时数据竞争同一服务端口而被延迟发送.此外,非实时数据的突发特性还会引起缓冲区溢出而使实时数据丢失. 以太网应用于工业通信时虽然还面临着一些问题,但其较高的通信速率和良好的开放性,使得它在网络化控制系统(Networked Control Systems)中的应用受到越来越多的关注.目前现场总线体系中,基于以太网的通信协议除了现场总线应用行规国际标准IEC 61784-1中包含的HSE、Ethemet/IP、ProfiNet之外,还包括EPA、EtherCAT、Ethemet PowerLink、Vnet/IP、TCnet和Modbus/IDA等6个新的提案,这些工业以太网技术都在不同程度上引入了交换机连接.其中EPA(Ethemet for PlantAutomation)是中国自己的工业以太网标准,采用EPA网络可以实现工业综合自动化系统中从信息管理层、过程监控层到现场设备层基于以太网技术的统一,即所谓的"E(Ethernet)网到底". 目前工业以太网在网络化控制系统中的应用还处于起步阶段,交换机在以太网中的引入虽然能在一定程度上改进以太网传输实时数据时的性能,但在其应用过程中还有一些迫切需要解决的关键技术:如针对工业数据的优先级服务,多种工业以太网应用层标准的兼容性,高效的以太网二层组播解决方案,以太网现场智能仪表开发和基于以太网的网络化控制系统的性能优化等.因此,开展针对交换式工业以太网的优化研究,对于降低控制系统成本,实施先进控制技术,提高我国的工业自动化水平都具有重要意义. 无论共享式工业以太网还是交换式工业以太网,当用于网络化控制系统时,都会在闭环控制回路中引入随机的通信延迟.这些随机延迟的存在会降低控制系统的品质,甚至使控制系统变得不稳定.解决这一问题有两种途径:一是在设计控制算法时并不考虑数据的传输延迟,而是通过优化工业以太网尽可能减小网络传输延迟.另一种途径是将网络传输延迟视为既定条件,通过设计合适的控制算法降低网络延迟对控制系统品质的不利影响.本论文针对前一种途径提出了交换式工业以太网的优化方案,包括在源节点和交换机中引入优先级调度和流控制,通过优化网络拓扑来减少数据的传输延迟等.针对后一种途径提出了改进的时戳预测控制算法,将传统的动态矩阵控制(DMC)算法和预测函数控制(PFC)算法在网络化控制系统中进行了推广. 全文的主要研究内容包括以下几个方面: 第一章为绪论,首先探讨了交换机的引入为以太网支持实时工业通信所提供的新特性,如微网段和全双工通信、基于IEEE802.1p的排队特性、虚拟局域网技术等.然后进一步总结了工业以太网应用于实时工业通信时仍需解决的关键技术,如针对工业数据的优先级服务、以太网组播解决方案和以太网智能仪表的开发等.本章也对交换式工业以太网和网络化控制系统的研究现状进行了概述. 第二章对IEEE802.1p排队特性和工业以太网实时通信的结合进行了研究.首先分析了工业通信网络的数据传输特点,然后针对工业通信中不同数据的传输要求,通过在源节点和交换机的介质访问控制层中引入基于IEEES02.1p和最早截止期限优先的调度方法,来改善工业以太网对实时数据的传输能力.最后通过OPNET Modeler搭建的网络仿真平台验证了该调度方案的可行性. 第三章研究了基于网络演算的交换式工业以太网传输延迟分析方法.网络演算是源于多媒体通信领域的一种网络特性分析工具,它通过计算数据流的到达曲线和服务曲线,很容易得到数据帧的最大网络延迟和最大数据积压.本章结合工业以太网的通信特点,在对其实施优先级调度和对非周期数据进行流控制的基础上,以网络演算为工具推导了交换机对实时工业数据的服务曲线.最后以一个采用树型拓扑的全交换式工业以太网模型为例,给出了计算实时数据最大网络传输延迟的方法. 第四章和第五章分别以遗传算法和图划分理论为工具,对交换式工业以太网的网络拓扑优化进行了研究.首先给出了交换式工业以太网拓扑优化的主要设计原则,然后将他们构建为一个多目标优化问题:交换式工业以太网的拓扑优化一方面要减少子网间的通信量,同时需要平衡各个子网的通信负荷和站点规模;此外,交换机物理条件的限制也为该优化问题设置了约束条件.在求解这一带约束条件的多目标优化问题时,第四章设计了遗传算法来寻找该网络拓扑优化问题的优质解.第五章采用图划分策略来求解同一优化问题,通过划分该优化问题的一个图表示来寻找理想的网络拓扑,仿真结果表明这两种方法得到的网络设计明显优于随机方法得到的网络设计. 第六章研究了目前交换式以太网中比较常用的四种组播方案:VLAN,IGMP窃听,CGMP,GMRP.工业控制网络中大量采用"生产者一消费者"的通信模式,这种通信模式使网络中存在着大量的组播数据.传统交换机对组播数据采用的广播式处理方式会大大降低交换式工业以太网的性能.本章通过对比分析现有四种二层组播方法的优缺点,指出了它们在工业以太网中各自的适用范围,为实际应用中选择和设计合适的组播方案提供了参考. 第七章和第八章针对网络化控制系统提出了改进的时戳预测控制算法.其主要思想是在动态矩阵控制算法和预测函数控制算法中,引入时间戳来估计网络通信延迟的大小.在推导预测控制规律时,使用一个离散的延迟模型来预测对象的未来输出,然后借鉴传统预测控制算法的基本策略,得到了适用于网络化控制系统的时戳动态矩阵控制算法和时戳预测函数控制算法.同时由TmeTime工具箱搭建了基于工业以太网的网络化控制系统仿真平台,把时戳预测控制算法和传统预测控制算法的性能进行了对比. 第九章在总结全文的基础上,给出论文研究过程中得出的若干结论.同时也展望交换式工业以太网的发展方向,提出了一些需要进一步深入研究的问题.