基于以太网的机舱现场设备层NCS实时性研究

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1、中文摘要摘要近年来，随着计算机、控制、通信以及网络等技术的发展，机舱自动化监控系统的结构发生了很大变化，逐步形成以网络控制系统(NetworkedControlSystem，NCS)为基础的机舱网络化监控系统。船舶的自动化水平是衡量船舶先进程度的一个重要标志，通过计算机网络实现驾驶、轮机、电站等部分的综合集成监控，即实现数字化监控，将使船舶自动化水平达到一个新的高度，并已成为当今世界上船舶自动化方面最前沿的研究课题。当前国内对机舱监控系统的研究还处于起步阶段，深入开展这方面的设计和仿真，对促进我国机舱监控系统的理论研究与产品开发具有重要

2、的现实意义。本文首先简要介绍课题的背景与意义，针对工业现场领域NCS实时性问题就国内外学者的研究成果进行了综述；对以太网用于机舱现场设备层NCS中的MAC帧进行数据建模及优化，并针对出现的不确定和不公平问题，研究了以太网的排队延时、发送延时和传输延时；设计了现场设备层采用双冗余工业以太网、过程控制层采用双冗余普通以太网、信息管理层采用普通以太网的船舶机舱网络化综合监控系统。其中，机舱监控系统现场设备层NCS由机舱机电设备的变送器(如永磁同步电机速度传感器)、PLC．控制器(如永磁同步电机PID控制器)、执行机构(如逆变器通电开关)和双冗

3、余工业以太网构成，并给出现场设备层NCS的网络拓扑及节点驱动方式；采用基于协议的改进以太网实时性方法，在网络层与MAC层之间增加了一个软件调度层，设计了IRETHER协议，通过计算实时节点优先级确定节点占用信道顺序，在保证实时节点优先传输的同时降低各非实时节点的最大延时及平均延时时间；最后，基于面向对象的程序设计技术给出CSMA／CD、IRETHER两种模式下各节点最大延时仿真算例的算法流程及仿真结果。仿真结果表明，采用IRETHER协议，确定实时节点与非实时节点的优先级，保证重要数据优先传输，能够有效地提高机舱现场设备层NCS的实时能

4、力。本文开展了基于以太网的机舱现场设备层网络控制系统实时性的探索性研究工作。通过理论分析和计算机仿真积累了一些经验，为课题的后续深入研究奠定了基础。关键词：机舱；现场设备层；网络控制系统；实时性英文摘要ABSTRACTInrecentyears，asthedevelopmentofcomputer，control，communicationandnetworktechnologies，thestructureofengineroomautomaticmonitoringandcontrolsystemhasbeengreatlychan

5、ged．NetworkedControlSystem(NCS)hasbeenthebasicofengineroomnetworkedmonitoringandcontrolsystem．Ship’Sautomationisallimportantindicatorofshipadvantagedegree，whichisintegratedbycomputernetworktorealizenavigation，engineeringandpowerstationintegratedmonitoring，i．e．digitalmoni

6、toring．ItmakestheshipautomationtoanewlevelandwhichhasbeeBtheforefrontresearchtopicinshipautomationintheworldcurrently．Presentlyresearchofengineroommonitoringandcontrolisontheinitialstage．So，deepdesignandresearchonthistopicisveryimportantfortheoryresearchandproductexploit

7、ationonengineroommonitoringandcontrolsystem．First，afterintroducingbackgroundandsignificanceofthetopic，thispapersummarizesresearchesresultsofscholarsathomeandabroadonindustrialfieldNCSreal-timeprobleminindustrialfieldcontrolarea．Second，MACframeismodeledandoptimizedinengin

8、eroomfieldequipmentlayerNCSbasedonEthemet．Meanwhile，aimingatproblemofuncertaintyandunfairnessinEthemet-