工业无线控制网络中的实时性问题研究

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近年来,无线网络成为自动化领域中迅速发展的热点之一,也是工业自动化产品未来的新增长点。显而易见,在配置、安装、修改和扩展等方面,无线网络的成本都低于有线网络。工业无线控制网络是连接工业现场无线测量控制设备的一类通信网络。当前发展的目标是追求无线传输在工控领域的普遍应用或成规模应用,必须解决的主要问题有传输的确定性、实时性、可互操作性、低能耗、网络安全和网络投用的适应性等。在工业自动化控制中需要及时地传输生产过程信息和操作指令,所以实时性是一个关键的指标。对于工业控制网络的实时性问题,有线通信中已有一些技术和方法能满足工业控制网络的要求,但无线网络明显不同于有线网络,目前无线网络应用于工业控制领域还不成熟,工业无线控制网络中的实时性问题尚未得到完善的解决。现有的无线通信网络在实时性上还不能满足大多数生产过程对工业无线控制网络的需要,因此需要研究工业控制实时性问题的解决方案。一如以往所有的IT技术移植到工控应用中来所采取的方法一样,用于工业控制领域的无线网络的基础是IT行业的通用无线网络标准。但必须在此基础上充分考虑在工控应用中的特别要求,研究开发满足这些要求的相关技术和规范。本文首先分析了现有比较成熟的控制网络的实时性,然后在无线局域网802.11协议的基础上,提出了一种基于优先级的工业无线控制网络实时信息传输方法,对不同优先级的信息区分对待,采用不同的策略保证信息能在确定的时间内获得发送权以满足不同的实时性要求,并保持与无线局域网MAC协议的兼容。该方法充分考虑自动化领域的生产过程的特点,将传输的数据划分为三类,分别为非周期实时数据、周期实时数据和非实时数据。它们有不同的优先级,通过不同的方式竞争信道:非周期实时数据具有最高优先级,进入最高优先级队列进行调度,采用RTS/CTS消息交换机制:周期实时数据与非实时数据都采用CSMA/CA方式,但为了体现二者的不同优先级,在CSMA/CA方式中为周期实时数据和非实时数据设定了不同的竞争窗口。同时,当同种类型的数据进行介质访问权的竞争时,引入了截止时间比较这一思想,以此判断数据传输的急缓程度,决定介质访问控制权的优先获得者。最后,使用OPNET Modeler模拟工具对基于优先级的工业无线控制网络实时信息传输方法进行了仿真研究,仿真结果表明该方法提高了无线局域网传输信息的实时性.说明了该方法的可行性和有效性。
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