基于EPA的车间数字设备集成控制系统中网关设计与系统仿真
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摘要
目前，中小型离散制造企业的数字设备普遍存在多种控制系统并存、不能实现远程监控与维护、信息难以直接连通和集成控制等问题；同时，生产现场信息不能被及时采集、处理和应用，现场控制层不能为企业信息系统直接提供必须的生产现场的信息。这些已成为企业信息化深入发展的瓶颈。因此，对车间数字设备集成控制的实现方案的研究具有重要意义。本文提出一种基于工业以太网的车间数字设备集成控制的方案，用于实现离散制造企业的管理和控制信息的交互与集成。本文的主要研究工作包括：
1．分析离散制造企业车间数字设备通讯接口的特性和控制模式，选择适合车间数字设备集成控制的网络，提出具有不同接口的车间数字设备的网络连接方案；对EPA(Real-time Ethernet for Plant Automation)的协议栈、确定性通信调度方案以及基于EPA的控制系统的体系结构进行详细分析；构建基于工业以太网的车间数字设备集成控制网络的体系结构。
2．分析基于工业以太网的车间数字设备集成控制系统中网关的功能；设计基于EPA协议的嵌入式网关的硬件结构；在此硬件平台上移植μC／OS-Ⅱ实时操作系统和LwIP(Light Weight IP)协议栈，并实现EPA协议栈的功能，开发嵌入式网关的用户程序。
3．采用OPNET仿真软件，结合EPA协议，建立基于EPA的仿真模型，包括网关节点模型和设备节点模型，以及相应的过程模型；在此基础上，开发基于EPA的车间数字设备集成控制系统的网络性能和用户层仿真软件，以及基于XML技术的网络仿真平台；对所构建的基于EPA的车间数字设备集成控制系统网络进行仿真研究。
There are many problems such as the coexisting of many different kinds ofcontrol systems, the disable execution of remote monitoring and remote maintenance,the difficulties of direct information exchanging and integration within discretemanufacturing enterprises, especially middle size and small ones. At the same time,the information in field area can't be collected, processed and applied in real time,which leads to the incapability of field control level to provide necessary fieldinformation for the information systems inside enterprise. The above problems havecaused the bottle-neck to advance the enterprise information system. A solution forIntergrated Control of Numerical Control Device (ICNCD) in Machining Cell (MC)based on industrial Ethernet was presented in this dissertation, in order to realizeefficient intergration of management system and field control system inside a discretemanufacturing enterprise. The main research work and achievements of thisdissertation are as following:
1. The characteristic of communication interface and control mode of numericalcontrol device in MC of discrete manufacturing enterprise were analyzed; suitablenetwork for ICNCD was selected. Different connecting soluction was proposed forNumerical Control Devices which have different interfaces. EPA Protocol model,framework and schedule method were analyzed. The network framewok of ICNCD inMC based on industrial Ethernet was proposed.
2. Gateway functions were analyzed for ICNCD in MC based on industrialEthernet. Hardware architecture of gateway was design gateway base on EPAprotocol. RTOS (Real Time Operation System) and LwIP protocol were transplanted,EPA protocol function was realized, and user program was developed.
3. Simulation models based on EPA were realized, including gateway nodemodel and device node model, and related process model. The simulation model forICNCD system in MC and the simulation platform based on XML (eXtensibleMarkup Langusge) technique and OPNET Modeler were established. The performance of ICNCD system in MC based on EPA was studied by networksimulation.
1．分析离散制造企业车间数字设备通讯接口的特性和控制模式，选择适合车间数字设备集成控制的网络，提出具有不同接口的车间数字设备的网络连接方案；对EPA(Real-time Ethernet for Plant Automation)的协议栈、确定性通信调度方案以及基于EPA的控制系统的体系结构进行详细分析；构建基于工业以太网的车间数字设备集成控制网络的体系结构。
2．分析基于工业以太网的车间数字设备集成控制系统中网关的功能；设计基于EPA协议的嵌入式网关的硬件结构；在此硬件平台上移植μC／OS-Ⅱ实时操作系统和LwIP(Light Weight IP)协议栈，并实现EPA协议栈的功能，开发嵌入式网关的用户程序。
3．采用OPNET仿真软件，结合EPA协议，建立基于EPA的仿真模型，包括网关节点模型和设备节点模型，以及相应的过程模型；在此基础上，开发基于EPA的车间数字设备集成控制系统的网络性能和用户层仿真软件，以及基于XML技术的网络仿真平台；对所构建的基于EPA的车间数字设备集成控制系统网络进行仿真研究。
There are many problems such as the coexisting of many different kinds ofcontrol systems, the disable execution of remote monitoring and remote maintenance,the difficulties of direct information exchanging and integration within discretemanufacturing enterprises, especially middle size and small ones. At the same time,the information in field area can't be collected, processed and applied in real time,which leads to the incapability of field control level to provide necessary fieldinformation for the information systems inside enterprise. The above problems havecaused the bottle-neck to advance the enterprise information system. A solution forIntergrated Control of Numerical Control Device (ICNCD) in Machining Cell (MC)based on industrial Ethernet was presented in this dissertation, in order to realizeefficient intergration of management system and field control system inside a discretemanufacturing enterprise. The main research work and achievements of thisdissertation are as following:
1. The characteristic of communication interface and control mode of numericalcontrol device in MC of discrete manufacturing enterprise were analyzed; suitablenetwork for ICNCD was selected. Different connecting soluction was proposed forNumerical Control Devices which have different interfaces. EPA Protocol model,framework and schedule method were analyzed. The network framewok of ICNCD inMC based on industrial Ethernet was proposed.
2. Gateway functions were analyzed for ICNCD in MC based on industrialEthernet. Hardware architecture of gateway was design gateway base on EPAprotocol. RTOS (Real Time Operation System) and LwIP protocol were transplanted,EPA protocol function was realized, and user program was developed.
3. Simulation models based on EPA were realized, including gateway nodemodel and device node model, and related process model. The simulation model forICNCD system in MC and the simulation platform based on XML (eXtensibleMarkup Langusge) technique and OPNET Modeler were established. The performance of ICNCD system in MC based on EPA was studied by networksimulation.
引文
[1] 昃向博，刘魁，王钦等．制造企业信息化过程中的标准化与网络化[J]，现代制造技术与装备，2006．6
[2] 贾东浇．制造企业运作过程的信息集成关键技术研究[D]．浙江大学博士论文，2006，4
[3] 林宋．信息化制造中的信息理论与集成方法研究[D]．华中科技大学博士论文，2005．10
[4] 吴修德，李刚炎，刘诏书．车间数字设备集成控制系统的研究[J]．微计算机信息，2007．04
[5] 郝永平，苏向东，张建富等．制造业信息集成接口技术研究[J]．现代制造工程，2005，(8)：35-38
[6] 闫伟国，王敏杰，刘斌．基于以太网的数控加工信息集成技术[J]．农业机械学报，2004．35(5)：185-189
[7] 董小吉．利用NPORT串口服务器组网解决方案[J]．治淮，2006．1
[8] 胥军．企业网络传输控制协议的优化与转换研究[D]．武汉大学，2006．
[9] Real-time Ethernet for plant automation(EPA)[s]. IEC PAS62409, 2005
[10] 王晓燕，王平．EPA通信协议在嵌入式Linux上的设计与实现[J]．计算机工程，2007．33(6)：273-275．
[11] 陈敏．OPNET网络仿真[M]．北京：清华大学出版社，2004．4
[12] 王振中，关媛，陆建德等．基于NS2仿真平台的Adhoc新路由协议的模拟[J]．计算机仿真，2007．(04)
[13] 吴剑锋，郭英，范海宁．OMNeT++网络仿真器的设计原理分析[J]．微计算机应用，2006．(05)
[14] 胡晓娅，朱德森，汪秉文．基于交换式以太网的网络控制系统仿真平台[J]．华中科技大学学报(自然科学版)，2005．33(4)：89-91
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[20] Douglas E. Comer. Computer Networks and Internets(Third Edition)[M]. Tsinghua University Press, 2003
[21] Dr. Manfred, Patz. Fieldbus. Foundation High Speed Ethemet. soiling GmbH, 2000
[22] Ralph Buesgen, Joachim Feld. Real time on Ethernet: how PROFinet V2.0 improves on Control Engineering Oct[J]. 2002
[23] 侯维岩，邓记才，S．Ruping等．工业以太网络的交换拓扑结构性能评价[J]．工业仪表与自动化装置．2003．1
[24] 陈磊．从现场总线到工业以太网的实时性问题研究[D]．浙江大学博士学位论文，2004．5
[25] 王文博，张金文．OPNET Modeler与网络仿真[M]．北京：人民邮电出版社，2003．10
[26] 刘羿，孙继业．计算机控制在数字化播控中心的应用[J]．现代电视技术，2005．(11)
[27] 朱志伟，周志光，鲍祖尚．RS-485总线通信系统的可靠性措施[J]．单片机及嵌入式系统应用，2006．3
[28] 夏德海．现场总线技术讲座第七讲EPA(上)[J]．自动化与仪表，2006．(5)
[29] 周立功等．ARM嵌入式系统基础教程[M]．广州周立功单片机发展有限公司，2004．11
[30] Philips Semiconductors. LPC2119/2129/2194/2292/2294 Data Sheet[EB/OL]. 2004.12
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