Abstract: L'Industrial Ethernet, come nuova direzione nello sviluppo della rete dei sistemi di controllo, è gradualmente penetrata anche nelle reti di controllo industriale. Pertanto, la coesistenza di fieldbus standard e diversificati e di Ethernet industriale esisterà per molto tempo. Questo articolo conduce uno studio approfondito sul meccanismo di comunicazione di interconnessione tra reti eterogenee e analizza alcuni problemi esistenti in ciascun meccanismo, come gli elevati costi di sviluppo, la scarsa scalabilità e la portabilità. Sulla base di un'analisi dettagliata del meccanismo di funzionamento del gateway di conversione di protocollo, viene proposto un gateway di conversione di protocollo basato sulla libreria di protocollo middleware incorporata. Utilizza idee stratificate e la tecnologia di riutilizzo del software per progettare la scalabilità e la portabilità della libreria di protocollo; gerarchizza e componentizza la libreria di protocollo e definisce i principi e il controllo della granularità della componentizzazione della libreria di protocollo middleware incorporata; utilizza la tecnologia della memoria condivisa per realizzare lo scambio di informazioni sui dati. Infine, è stato progettato e sviluppato un gateway di conversione di protocollo embedded facilmente trasportabile e scalabile per realizzare la comunicazione interconnessa tra più protocolli.Parole chiave: Fieldbus protocollo di conversione libreria di protocollo
Abstract: L'Industrial Ethernet, come nuova direzione di sviluppo della rete dei sistemi di controllo, è gradualmente penetrata nelle reti di controllo industriale, per cui lo standard La coesistenza di fieldbus quasi-diversificati ed Ethernet industriale esisterà per molto tempo. In questo lavoro, il meccanismo di comunicazione di interconnessione tra reti eterogenee viene studiato a fondo e vengono analizzati alcuni problemi esistenti in ciascun meccanismo, come l'elevato costo di sviluppo, la scalabilità e la scarsa portabilità. Sulla base dell'analisi dettagliata del meccanismo di funzionamento del gateway di conversione di protocollo, viene proposto un gateway di conversione di protocollo basato sulla libreria di protocollo middleware incorporata. Per progettare la scalabilità e la portabilità della libreria di protocollo si utilizzano l'idea a strati e la tecnologia del softwarereuse. La libreria di protocollo è gerarchica e a componenti, e vengono definiti il principio e il controllo della granularità della libreria di componenti della libreria di protocollo middleware embedded. La tecnologia Sharedmemory consente lo scambio di informazioni sui dati. Infine, la progettazione e l'implementazione di un gateway di conversione di protocollo embedded portatile e scalabile basato sulla comunicazione di interconnessione multiprotocollo. Parole chiave: Fieldbus Protocollo di conversione Libreria di protocollo.
1 Introduzione:
Nel campo del controllo dell'automazione, il bus di campo è stato ampiamente utilizzato nella rete di controllo sottostante. Tuttavia, con lo sviluppo e i cambiamenti tecnologici della tecnologia di rete e della tecnologia embedded, la domanda di intelligenza cresce di giorno in giorno e il collegamento in rete e l'apertura dei sistemi di controllo sono diventati il trend di sviluppo del settore. trend. Attualmente, la tecnologia fieldbus presenta ancora alcune limitazioni. In particolare, i diversi bus di campo standard internazionali esistenti sono incompatibili e competitivi tra loro in termini di protocolli di comunicazione e standard di bus, e non possono raggiungere l'interoperabilità. Questo limita seriamente gli sviluppi dei bus di campo nel campo del controllo. Nel processo di aggiornamento e trasformazione del sistema di rete di controllo, poiché i diversi produttori di dispositivi integrati in loco adottano metodi di comunicazione diversi e non esiste un protocollo software universale tra loro, la comunicazione utilizzata per collegare i dispositivi integrati nella rete intelligente industriale I supporti hardware variano ampiamente, così come i bus di campo e i protocolli di comunicazione, formando una rete eterogenea incompatibile che manca di apertura e compatibilità.
2 Introduzione alle tecnologie di comunicazione di rete
Il PLC ha alcune caratteristiche di un computer generico, ma il suo metodo di lavoro è molto diverso da quello di un computer generico. Adotta un metodo di lavoro a scansione ciclica. Il principio può essere spiegato come il programma operativo viene elaborato secondo una determinata sequenza di accesso e di esecuzione. Ogni volta che viene completato un ciclo di scansione, il programma utente viene eseguito in un ciclo dall'inizio e l'operazione viene ripetuta. Il processo di funzionamento è illustrato nella figura, che comprende principalmente tre fasi: fase di campionamento degli ingressi, fase di esecuzione del programma e fase di scansione delle uscite.
Come illustrato nella Figura 1, comprende principalmente tre fasi: fase di campionamento degli ingressi, fase di esecuzione del programma e fase di scansione dell'uscita.
Figura 1 Schema di funzionamento del PLC
Man mano che i protocolli di comunicazione diventano un componente critico di una rete di controllo embedded, aumenta la necessità di nuovi protocolli che soddisfino i requisiti di elevata larghezza di banda e prevedibilità. Esiste una varietà di protocolli di comunicazione in tempo reale. Tra questi protocolli, quelli che possono soddisfare il riutilizzo dei veicoli includono: Controller Area Network (CAN), Local Internet Network (LIN) e SAE J1850, attualmente utilizzati su larga scala. Inoltre, solo pochi protocolli sono adatti ad applicazioni di sicurezza con requisiti obbligatori di prevedibilità. Un'analisi e un confronto dei protocolli di comunicazione per sistemi embedded che soddisfano i requisiti di sicurezza presenti in letteratura mostra che le attività di comunicazione dei dati devono poter essere attivate, sia che si tratti di una risposta dinamica basata su eventi, sia che si tratti di un'attivazione statica basata sul polling temporale [3]. Da un lato, esistono protocolli statici di programmazione delle informazioni basati sull'elaborazione del tempo, come i protocolli SAFE BUS e SPIDER utilizzati nell'industria avionica, TTCAN e il protocollo time-triggered TTP utilizzato nell'industria automobilistica. D'altra parte, alcuni sono protocolli di comunicazione che programmano dinamicamente le informazioni. Ad esempio, la Controller Area Network (CAN) è ampiamente utilizzata in vari settori, mentre il protocollo LONWORKS e il protocollo PROFIBUS sono comunemente utilizzati nei sistemi in tempo reale. Tra questi, il bus CAN è il protocollo di comunicazione event-driven più noto e diffuso nel campo dei sistemi embedded distribuiti in tempo reale.
3. Ricerca sull'algoritmo di controllo della congestione nel gateway incorporato
3.1 Modello di controllo della politica di gestione attiva delle code Per risolvere il problema che le attività di comunicazione dei dati devono essere attivate in modo deterministico, lo scarto dei pacchetti in modo proattivo anziché reattivo è un mezzo efficace. La strategia di gestione delle code corrispondente è chiamata gestione attiva delle code, che è l'algoritmo principale per la gestione delle code di buffer. L'idea di base è che, in base alla variazione della lunghezza della coda, prima che il buffer della coda trabocchi, i dati del pacchetto in arrivo vengono scartati con probabilità. Il segnale di scarto del pacchetto viene rilevato dalla sorgente dopo un certo ritardo e la sorgente determina lo stato della rete in base a questo segnale. In questo modo, la strategia forma un sistema di controllo ad anello chiuso, in cui il controllore, la cui uscita è il segnale di controllo del sistema, e l'algoritmo di controllo del tasso all'estremità della sorgente è l'esecutore del sistema, che insieme alle caratteristiche di lunghezza della coda del router e al ritardo del collegamento, generalizzano gli oggetti che compongono il sistema, come mostrato nella Figura 2.
Figura 2 Modello di controllo della politica di gestione attiva delle code
La ricerca sugli algoritmi di collegamento è attualmente incentrata sull'algoritmo di "gestione attiva della coda" (Active Queue Management, AQM). Rispetto al tradizionale "Droptail" (coda a goccia), AQM scarta o contrassegna i messaggi prima che il buffer del dispositivo di rete trabocchi. .
3.2 Principali vantaggi del GQA
(1) Ridurre la perdita di pacchetti al gateway. L'uso di AQM può mantenere la lunghezza della coda ridotta, migliorando così la capacità dei nodi intermedi della rete di gestire il traffico a raffica [6].
(2) Ridurre il ritardo dei pacchetti che passano attraverso il gateway. La riduzione della lunghezza media della coda può ridurre efficacemente il ritardo di accodamento dei pacchetti nei dispositivi di rete.
(3) Evitare il verificarsi del comportamento di blocco.
3.3 Algoritmo RED
A representative algorithm of AQM is the RED (random early detection) algorithm. RED has better performance than Droptail. In RFC2309, RED is strongly recommended as the future standard. However, further research found that the performance of RED is very sensitive to the parameter settings of the algorithm, and it has not been widely used in the Internet so far. According to the results provided in the literature, RED performs better than Droptail, but it has two main flaws:
(1) RED è molto sensibile alle impostazioni dei parametri e la loro modifica ha un forte impatto sulle prestazioni. Finora non esiste un metodo chiaro per determinare questi parametri;
(2) Con l'aumento del numero di "flussi" nella rete, la lunghezza media della coda del gateway aumenterà gradualmente, a scapito del miglioramento delle prestazioni in tempo reale.
4 Progettazione del gateway di conversione del protocollo
4.1 Struttura di composizione del gateway Il gateway di conversione di protocollo comprende principalmente il processore centrale, il controllore Ethernet, il ricetrasmettitore RS485/232 e altri controllori di bus di campo, le apparecchiature periferiche di I/O, la memoria off-chip, ecc. La struttura di composizione del gateway è mostrata nella Figura 3.
Figura 3 Schema della struttura hardware del gateway
(1) I dati di richiesta e le informazioni di controllo raggiungono il gateway attraverso il collegamento Ethernet e il chip di controllo Ethernet del gateway realizza il flusso di dati del livello fisico Ethernet; (2) il modulo EMAC del processore elabora i dati e ottiene i dati di validità del collegamento del livello;
(2) Il modulo EMAC del processore decostruisce i dati e ottiene dati validi a livello di collegamento;
(3) Questi dati vengono trasmessi al programma di conversione del gateway per l'elaborazione attraverso il bus ad alta velocità (AHB) per ottenere la richiesta originale e le informazioni di controllo;
(4) Quindi incapsula i dati secondo il formato del protocollo bus di destinazione e seleziona il canale bus corrispondente nel chip per inviare i dati;
(5) Il frame di dati raggiunge il corrispondente collegamento fisico del bus attraverso il modulo ricetrasmettitore bus off-chip collegato a questi canali bus. La conversione inversa è la circolazione inversa del processo di dati di cui sopra per realizzare l'inoltro dei dati attraverso la rete.
4.2 Diagramma gerarchico del software
Nella progettazione della struttura del programma di sistema, viene introdotta l'idea di progettazione del software middleware di comunicazione incorporato. Ogni dispositivo è astratto e l'implementazione della libreria di protocolli di rete adotta un design a struttura gerarchica, utilizzando meccanismi di informazione per ottenere l'accesso tra i livelli, schermando i dettagli di accesso del livello superiore al livello inferiore, realizzando la chiamata trasparente delle interfacce di programma e facilitando il trapianto e il debug dei programmi tra piattaforme diverse. [8]. La gerarchia del software è illustrata nella Figura 4.
Riassumere:
Vengono analizzati l'architettura hardware eterogenea e i protocolli di comunicazione eterogenei nella rete di controllo, concentrandosi sui vari protocolli di comunicazione della rete di bus e sulle caratteristiche della comunicazione. Ricercare e analizzare i meccanismi di comunicazione di interconnessione tra reti eterogenee, proporre e completare la progettazione di un gateway di conversione di protocollo basato sulla libreria di protocollo middleware incorporata, definire i principi e il controllo della granularità della componentizzazione della libreria di protocollo middleware incorporata e utilizzare la tecnologia della memoria condivisa per ottenere lo scambio di dati. Completare la progettazione e l'implementazione software e hardware del gateway di conversione di protocollo, compresa la progettazione e l'implementazione della libreria di protocollo, la progettazione dell'interfaccia di accesso unificata e l'implementazione del processo di conversione. Al fine di garantire la qualità del servizio del gateway di conversione del protocollo nel collegamento della rete di controllo eterogenea, in considerazione dei complessi fattori di incertezza nel processo di conversione del protocollo di comunicazione, sono stati analizzati i vantaggi e gli svantaggi della tecnologia di controllo della congestione della rete di informazione, dell'algoritmo di controllo della congestione sul lato sorgente e dell'algoritmo di controllo del collegamento. Viene proposta una strategia di controllo della congestione basata sul controllo fuzzy.
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