Аннотация: Industrial Ethernet, как новое направление в развитии сетей систем управления, постепенно проникает и в промышленные сети управления. Поэтому сосуществование стандартных и диверсифицированных полевых шин и промышленного Ethernet будет существовать еще долгое время. В данной статье проводится углубленное исследование механизма межсетевого взаимодействия между разнородными сетями, а также анализируются некоторые проблемы, существующие в каждом из механизмов, такие как высокая стоимость разработки, плохая масштабируемость и переносимость. На основе детального анализа механизма работы шлюза преобразования протоколов предлагается шлюз преобразования протоколов, основанный на встроенной библиотеке протоколов промежуточного ПО. Использование многоуровневых идей и технологии повторного использования программного обеспечения для разработки масштабируемости и переносимости библиотеки протоколов; иерархизация и компоновка библиотеки протоколов, а также определение принципов и контроля гранулярности компоновки встроенной библиотеки протоколов промежуточного ПО; использование технологии Shared memory реализует обмен информацией о данных. Наконец, спроектирован и разработан легко переносимый и масштабируемый встраиваемый шлюз преобразования протоколов для реализации взаимосвязанной коммуникации между несколькими протоколами.Ключевые слова: Fieldbus библиотека протоколов преобразования протоколов
Аннотация: Industrial Ethernet, как новое направление развития сетей систем управления, постепенно проникает в промышленные сети управления, поэтому стандарт сосуществования квазидиверсифицированной полевой шины и промышленного Ethernet будет существовать еще долгое время. В данной статье глубоко изучен механизм межсетевого взаимодействия между разнородными сетями и проанализированы некоторые проблемы, существующие в каждом механизме, такие как высокая стоимость разработки, масштабируемость и плохая переносимость. На основе детального анализа механизма работы шлюза преобразования протоколов предлагается шлюз преобразования протоколов, основанный на встроенной библиотеке протоколов промежуточного ПО. Для разработки масштабируемости и переносимости библиотеки протоколов используется идея многослойности и технология повторного использования программного обеспечения. Библиотека протоколов является иерархической и компонентной, определены принцип и контроль гранулярности библиотеки компонентов встроенной библиотеки протоколов промежуточного ПО. Технология Sharedmemory позволяет обмениваться информацией о данных. Наконец, разработан и реализован портативный, масштабируемый встраиваемый шлюз преобразования протоколов на основе многопротокольного межсетевого взаимодействия. Ключевые слова: Fieldbus Преобразование протоколов Библиотека протоколов.
1 Введение:
В области автоматизации управления полевая шина широко используется в качестве базовой сети управления. Однако с развитием и технологическими изменениями сетевых технологий и встраиваемых технологий, спрос на интеллект растет с каждым днем, а сетевые технологии и открытость систем управления стали тенденцией развития отрасли. В настоящее время сама технология полевой шины все еще имеет определенные ограничения. В частности, существующие несколько международных стандартов полевых шин несовместимы и конкурируют друг с другом с точки зрения протоколов связи и стандартов шины, и не могут достичь функциональной совместимости. Это серьезно ограничивает развитие полевых шин в области управления. В процессе модернизации и преобразования системы сети управления, поскольку различные производители встраиваемых устройств на местах используют различные методы связи и между ними не существует универсального программного протокола, коммуникации, используемые для подключения встраиваемых устройств в промышленной интеллектуальной сети Hardware media, сильно различаются, как и полевые шины и протоколы связи, образуя несовместимую гетерогенную сеть, которой не хватает открытости и совместимости.
2 Введение в технологии, связанные с сетевыми коммуникациями
ПЛК обладает некоторыми характеристиками компьютера общего назначения, но его метод работы сильно отличается от метода работы компьютера общего назначения. В нем используется метод циклического сканирования. Его принцип можно объяснить так: программа-задание обрабатывается в соответствии с определенной последовательностью доступа и последовательностью выполнения. Каждый раз, когда цикл сканирования завершается, пользовательская программа выполняется в цикле с самого начала, и операция повторяется. Процесс работы показан на рисунке, который включает в себя три этапа: этап выборки входных данных, этап выполнения программы и этап сканирования выходных данных.
Как показано на рисунке 1, он включает в себя три этапа: этап выборки входных данных, этап выполнения программы и этап сканирования выходных данных.
Рисунок 1 Схема принципа работы ПЛК
По мере того как протоколы связи становятся критически важным компонентом встроенной сети управления, возрастает потребность в новых протоколах, отвечающих требованиям высокой пропускной способности и предсказуемости. Существует множество протоколов связи реального времени. Среди них протоколы, которые могут соответствовать требованиям повторного использования автомобиля, включают: Controller Area Network (CAN), Local Internet Network (LIN) и SAE J1850, которые в настоящее время широко используются. Кроме того, лишь некоторые протоколы подходят для приложений безопасности с обязательными требованиями предсказуемости. Обзор и сравнение коммуникационных протоколов для встраиваемых систем, отвечающих требованиям безопасности, проведенные в литературе, показывают, что действия по передаче данных должны быть инициированы, будь то динамическая реакция на события или статический триггер на основе опроса по времени [3]. С одной стороны, существуют статические информационные протоколы планирования, основанные на обработке времени, такие как протоколы SAFE BUS и SPIDER, используемые в авиационной промышленности, TTCAN и протокол TTP с временным триггером, используемый в автомобильной промышленности. С другой стороны, некоторые коммуникационные протоколы динамически планируют информацию. Например, Controller Area Network (CAN) широко используется в различных областях, а протокол LONWORKS и протокол PROFIBUS широко применяются в системах реального времени. Среди них шина CAN является наиболее известным и широко используемым событийно-управляемым протоколом связи в области распределенных встраиваемых систем реального времени.
3. Исследование алгоритма управления перегрузками во встроенном шлюзе
3.1 Модель управления политикой активного управления очередью Для решения проблемы, когда действия по передаче данных должны запускаться детерминированно, эффективным средством является проактивное, а не оперативное отбрасывание пакетов. Соответствующая стратегия управления очередью называется активным управлением очередью, которое является основным алгоритмом управления буферной очередью. Основная идея заключается в том, что в зависимости от изменения длины очереди, до переполнения буфера очереди, поступающие пакеты данных отбрасываются с определенной вероятностью. Сигнал метки отбрасывания пакета обнаруживается источником после некоторой задержки, и на основании этого источник определяет состояние сети. Таким образом, стратегия образует замкнутую систему управления, в которой контроллер, чей выход является управляющим сигналом системы, и алгоритм управления скоростью на стороне источника являются исполнителями системы, которые вместе с характеристиками длины очереди маршрутизатора и задержки соединения, обобщенные объекты, составляющие систему, как показано на рисунке 2
Рисунок 2 Модель управления политикой управления активными очередями
Исследования алгоритмов соединения в настоящее время сосредоточены на алгоритме "активного управления очередью" (Active Queue Management, AQM). По сравнению с традиционным "дроптейлом" (Droptail), AQM отбрасывает или помечает сообщения до переполнения буфера сетевого устройства. .
3.2 Основные преимущества AQM
(1) Снижение потерь пакетов на шлюзе. Использование AQM позволяет сохранить небольшую длину очереди, тем самым повышая способность промежуточных узлов сети принимать пакетный трафик [6].
(2) Уменьшение задержки пакетов, проходящих через шлюз. Уменьшение средней длины очереди позволяет эффективно сократить задержку пакетов в очереди на сетевых устройствах.
(3) Избегайте возникновения ситуации блокировки.
3.3 Алгоритм RED
Представителем алгоритма AQM является алгоритм RED (random early detection). RED имеет лучшую производительность, чем Droptail. В RFC2309 RED настоятельно рекомендуется в качестве будущего стандарта. Однако дальнейшие исследования показали, что производительность RED очень чувствительна к настройкам параметров алгоритма, и до сих пор он не получил широкого распространения в Интернете. Согласно результатам, приведенным в литературе, RED работает лучше, чем Droptail, но у него есть два основных недостатка:
(1) RED очень чувствителен к настройкам параметров, и изменение параметров оказывает большое влияние на производительность. До сих пор не существует четкого метода определения этих параметров;
(2) По мере увеличения количества "потоков" в сети средняя длина очереди на шлюзе будет постепенно увеличиваться, что также негативно сказывается на улучшении производительности в реальном времени.
4 Конструкция шлюза преобразования протокола
4.1 Структура состава шлюза Шлюз для преобразования протоколов включает в себя основной процессор, контроллер Ethernet, приемопередатчик RS485/232 и другие контроллеры полевой шины, периферийное оборудование ввода/вывода, память вне кристалла и т.д. Структура состава шлюза показана на рисунке 3.
Рисунок 3 Структурная схема аппаратного обеспечения шлюза
(1) Данные запроса и управляющей информации поступают на шлюз по каналу Ethernet, а микросхема управления Ethernet в шлюзе реализует поток данных физического уровня Ethernet; (2) Модуль EMAC процессора обрабатывает данные и получает данные о валидности канала уровня;
(2) Модуль EMAC процессора деконструирует данные и получает достоверные данные на канальном уровне;
(3) Эти данные передаются программе преобразования шлюза для обработки через высокоскоростную шину (AHB) с целью получения исходного запроса и управляющей информации;
(4) Затем инкапсулируйте данные в соответствии с форматом протокола целевой шины и выберите соответствующий канал шины в микросхеме для отправки данных;
(5) Кадр данных поступает на соответствующую физическую шину через модуль приемопередатчика шины вне кристалла, соединенный с этими каналами шины. Обратное преобразование представляет собой обратную циркуляцию вышеописанного процесса передачи данных для реализации пересылки данных по сети.
4.2 Иерархическая диаграмма программного обеспечения
При разработке структуры системной программы внедряется идея проектирования встроенного коммуникационного промежуточного программного обеспечения. Каждое устройство абстрагируется, а при реализации библиотеки сетевых протоколов используется иерархическая структура, использующая информационные механизмы для доступа между уровнями, экранирующая детали доступа верхнего уровня для нижнего, реализующая прозрачный вызов программных интерфейсов, облегчающая кроссплатформенную трансплантацию и отладку программ [8]. Иерархия программного обеспечения показана на рисунке 4.
Подведите итоги:
Анализируются гетерогенная аппаратная архитектура и гетерогенные протоколы связи в сети управления, уделяется внимание различным протоколам связи в шинных сетях и коммуникационным характеристикам. Исследование и анализ механизмов межсетевого взаимодействия между гетерогенными сетями, предложение и завершение разработки шлюза преобразования протоколов на основе встроенной библиотеки протоколов промежуточного ПО, определение принципов и контроля гранулярности компоновки встроенной библиотеки протоколов промежуточного ПО, использование технологии общей памяти для достижения обмена данными. Завершить разработку и внедрение программного и аппаратного обеспечения шлюза преобразования протоколов, включая разработку и внедрение библиотеки протоколов, разработку унифицированного интерфейса доступа и реализацию процесса преобразования. Для обеспечения качества обслуживания шлюза преобразования протоколов в гетерогенном канале сети управления, с учетом сложных факторов неопределенности в процессе преобразования протоколов связи, проанализированы преимущества и недостатки технологии управления перегрузками информационной сети, алгоритма управления перегрузками со стороны источника и алгоритма управления каналом. Предложена стратегия управления перегрузками на основе нечеткого управления.
Отказ от ответственности: Эта статья воспроизведена в Интернете. Если она вредит вашим интересам, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить ее.