基于工业以太网的实时控制性能分析

以太网应用于工业网络控制系统是控制网络的发展方向，但它采用的CSMA/CD媒体访问机理，对于一些时间要求严格的控制过程会造成响应时间的不确定性。在工业网络中采用交换以太网可以消除传统共享以太网中存在的网络操作的不确定性，从而有效提高网络控制系统的控制性能。该文从理论上分析并计算工业以太网的最大通信延时，通过伺服二阶PID数字网络控制系统实例，定量分析网络协议和网络负载对网络控制性能参数的影响，为网络控制系统的设计提供了理论分析依据。     

工业控制网络协议与IPv6协议的一种转换方法

在企业自动化系统中,上层企业管理和生产监控大多采用以太网,下层车间现场大多采用现场总线,上下层各自采用不同的网络体系结构和协议.为了远程监控生产现场,实现异构网络的数据通信,需要构建合适的协议转换网关.通过对工业控制网络协议与IPv6协议的研究,提出了异构网络协议转换网关模型,并给出了一种基于中间件技术的工业控制网络与以太网的协议转换网关系统的设计方案,满足了底层工业控制网络与上层管理网络互联的应用要求.     

基于以太网的控制系统集成技术

从工业以太网的关键技术入手,对以太网系统集成中的有关问题进行了探讨。介绍了两种以太网的系统结构,即控制中心网络结构和设备中心网络结构;提出了提高以太网系统实时性的几种解决方案,即采取合理安排网络负载、采用星型拓扑结构、使用交换型集线器和采用全双工通信模式等方法。分析了10 Mbps以太网的配置规则和控制系统中对连接和距离的要求等。实践证明,随着网络技术的发展,基于以太网的控制系统将越来越广泛地在实际系统中得到应用。     

工业以太网EtherNet/IP协议安全分析

工业是一个国家的根本的经济命脉,工业控制系统(Industrial Control Systems,ICS)是工业自动化体系结构的重要组成部分。随着工业4. 0时代的到来,工业网络的安全性日益重要。工业以太网EtherNet/IP协议使用原有的基于标准的以太网技术,已经被大量使用在工业网络控制系统中,其安全性一直备受关注,国内对工业网络协议安全性的研究很少。使用形式化分析工具Scyther在Delov-Yao模型和强安全模型下对EtherNet/IP协议核心成员通用工业协议(Control and Information Protocol,CIP)所采用的加密认证TLS协议进行形式化分析。对下一代CIP协议嵌入TLS1. 3具有实践价值,该方法对其他工业网络协议进行有效的安全分析有理论指导意义。     

基于OPNET的交换式以太网实时性仿真分析

以太网的通信不确定性是其应用于实时性要求较高的工业控制系统中的障碍.交换式以太网的出现使这一问题得到了改善.研究了传统以太网和交换式以太网的网络时延问题,根据网络中央节点设备的不同,通过构建工业以太网模型,研究不同负载下网络的性能仿真结果表明了交换式以太网良好的实时性能.     

Wireshark环境下的网络协议解析与验证方法

网络协议解析通过程序分析网络数据包的协议头及其负载,是一系列网络功能的基础。分析了Wireshark的功能、作用、体系结构以及开发环境,给出了Wireshark在Windows系统下对网络协议解析的两种方法,总结了两种方法的特性。实验结果表明,在两种方式下添加的协议解析器都能正确解析网络数据包相应协议并分析数据包的负载内容,对网络协议的解析与验证及网络数据包的内容分析具有借鉴意义。     

不同网络结构的交换式以太网最大时延的研究

以太网的实时通信不确定性是其应用于实时性要求较高的工业控制系统中的障碍。交换式以太网的出现使这一问题得到了改善。采用网络演算理论作为以太网实时性能的分析方法，计算出星形和树形两种不同网络结构的交换式以太网的最大网络时延，分析了不同负载和不同数据量的情况下两种拓扑的实时性能，证明了交换式以太网良好的实时性能以及应用于实时工业控制中的可行性，并提出将以太网应用于高速磁浮列车的运行控制系统中的方案，保证了磁浮列车中信息的实时传输。     

一种新型的CAN现场总线与以太网互连方案的设计与研究

论文介绍了一种新型的基于SX52网络单片机的CAN与以太网互连方案,实现了现有的CAN总线网(生产监控层)和以太网(生产管理层)的直接连接,阐述了以太网和CAN总线网络协议转换的软硬件设计,详细介绍了系统几大模块功能的具体实现方法。     

工业以太网的发展及其技术特点

工业以太网控制系统是集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)之后产生的一种新型的工业控制系统。通过简要介绍工业控制网络的发展过程,并详细论述工业以太网的特点,提出了工业以太网以其全开放的特点必然会受到广泛的应用,实现工业控制网络和数据信息网络的无缝整合的观点。     

基于工业以太网的实时监控系统通信设计

工业以太网控制系统是集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)之后产生的一种新型的工业控制系统。工业以太网以其全开放、实现工业控制网络与数据信息网络的无缝整合的特点,已成为当前自动化技术领域的热门技术。本文以西门子SIMATIC S7-300/400 PLC为对象,利用多线程编程技术实现可编程控制器(PLC)与上位机(PC)基于工业以太网的实时通信,给出系统的通信原理和软件设计方法,并将此方法成功应用于实时监控系统。     

Performance evaluation of industrial Ethernet protocols for networked control application

Boosted by trends such as Industrial IoT and Industry 4.0, industrial Ethernet networks (EtherNet/IP, EtherCAT and PROFINET IRT as top-3 players) have been commonly deployed in industrial automation. The aim of this paper is to provide a practical guideline for selecting the right protocol in industrial networked control systems (NCSs) by comparing the performance of these protocols. Communication delays are discussed, formulated and evaluated with a study of a typical NCS. Simulation results demonstrate that with different frame packing, media access scheme, etc., EtherNet/IP, EtherCAT and PROFINET IRT offer different levels of real-time capabilities which lead to different control performance.     

Adaptive predictive functional control for networked control systems with random delays

Nowadays, more and more field devices are connected to the central controller through a serial communication network such as fieldbus or industrial Ethernet. Some of these serial communication networks like controller area network (CAN) or industrial Ethernet will introduce random transfer delays into the networked control systems (NCS), which causes control performance degradation and even system instability. To address this problem, the adaptive predictive functional control algorithm is derived by applying the concept of predictive functional control to a discrete state space model with variable delay. The method of estimating the network-induced delay is also proposed to facilitate the control algorithm implementing. Then, an NCS simulation research based on TrueTime simulator is carried out to validate the proposed control algorithm. The numerical simulations show that the proposed adaptive predictive functional control algorithm is effective for NCS with random delays.     

网络化控制系统的研究现状与展望

随着网络技术的发展,网络化控制系统日益成为人们关注的课题,特别是目前工业以太网所取得的进展引起人们广泛兴趣。介绍了网络化控制系统的发展过程,在综述网络化控制系统研究现状的基础上,对网络化控制系统的建模、状态估计、信息时延、调度算法、通信约束等方面进行了深入分析,并对其中的建模、网络信息调度的最优化、网络环境下控制理论研究、应用研究等方面的未来发展作了展望。     

Decentralized event-triggered control strategy in distributed networked systems with delays

Event-triggered control strategies have been recently proposed as alternatives to traditional time-triggered periodic sampling for feedback control systems. This paper studies the event-triggered control problem for distributed networked control systems (NCS). In order to reduce the network traffic and the resource of computation, we propose a new decentralized event-triggered scheme for the NCS, where a subsystem broadcast its state information to its neighbors only when the subsystem’s local state error exceeds a threshold with on-line adaption. The asymptotic stability of the resulting closed-loop system is guaranteed by the event-triggered feedback scheme. In addition, the paper gives the maximal allowable positive bounds on transmission delays for the networked control systems. Finally, the results are illustrated to be efficient by one simulated example.     

网络化控制系统综合控制方法研究

在阐明网络化控制系统采用兼顾控制系统性能质量(QoP)和网络服务质量(QoS)的控制方法的必要性和可行性的基础上,提出了一种能够兼顾控制系统QoP和网络QoS的网络化控制系统综合控制方法,并对其工作机理进行分析.在对目前相关的研究工作进行分析总结的基础上,提出了一种基于网络化控制系统综合控制方法的控制模型,最后通过一个数字仿真实例说明了该模型的有效性.     

分布式网络控制系统的研究

综述了网络控制系统的出现背景、概念和特性,阐明了网络的应用给传统控制系统带来的益处及广阔的应用前景,分析了网络传输数据给网络控制系统带来的问题,并阐述了网络控制系统中不同于一般网络系统的通信问题,详细分析了近年来迅速发展的现场总线和以太网在分布式网络控制系统中的发展趋势。最后概述了网络控制系统当前的研究现状。指出将网络通信调度和系统控制结合起来,将基于假设的理论研究同基于实际对象的实验平台相结合,是未来的发展趋势。     

Stability validation of a constrained model predictive networked control system with future input buffering

This paper addresses the stability of a newly-developed control strategy for networked control systems (NCS). This control strategy hones the potential of constrained model predictive control (MPC) by buffering the predicted control sequence at the actuator in anticipation of typical data transmission errors associated with NCS. Closed-loop stability in the sense of Lyapunov is guaranteed for the controller in the linear case, by bounding the projected receding horizon costs by lower- and upper-bounding terms using a predetermined terminal cost. A stability theorem is developed, which provides a suboptimal measure for the controller in real time, and is sufficient to estimate the worst-case transmission delay that can be handled by the developed control buffering strategy. The stability conditions, as governed by the theorem, are validated through real-time implementation on an electro-hydraulic servo system of an industrial processing machine, through an Ethernet network.     

一类工业以太网络通信协议的设计与性能分析

工业网络协议的设计是网络控制系统分析和设计的重要内容.网络诱导的延时值越小,则越有利于系统的稳定和控制算法的设计.在工业以太网络通信协议(IECP)模型中,工业通信协议一般建立在传输层或是应用层.通过工业通信模式、数据报和IECP通信程序,详细介绍了IECP的设计.提出了网络协议的性能指标,指出实时性是最重要的指标,并通过实验系统,进行了基于TCP、UDP和IP的IECP的实时性比较.结果说明了基于不同层IECP的性能差异性.同时也证明了基于不同层IECP的可行性.     

具有通信约束的网络化控制系统容错控制研究

Implementing a control system over a communication network induces inevitable time delays that may degrade performance and even cause instability. One of the most effective ways to reduce the negative effect of delays on the performance of networked control system (NCS) is to reduce network traffic. In this paper, adjustable deadbands are explored as a solution to reduce network traffic in NCS. A method of fault-tolerant control of networked control system is presented, which takes into account system response as well as network traffic. The integrity design for a kind of NCS with sensor failures and actuator failures is analyzed based on robust fault-tolerant control theory and information scheduling. After detailed theoretical analysis, the paper also provides the simulation results, which further validate the proposed scheme.     

Input-to-state stability of networked control systems

A new class of Lyapunov uniformly globally asymptotically stable (UGAS) protocols in networked control systems (NCS) is considered. It is shown that if the controller is designed without taking into account the network so that it yields input-to-state stability (ISS) with respect to external disturbances (not necessarily with respect to the error that will come from the network implementation), then the same controller will achieve semi-global practical ISS for the NCS when implemented via the network with a Lyapunov UGAS protocol. Moreover, the ISS gain is preserved. The adjustable parameter with respect to which semi-global practical ISS is achieved is the maximal allowable transfer interval (MATI) between transmission times.