网络控制系统与现场总线论文

控制网络、网络控制系统与现场总线摘要：随着计算机、信息技术的飞速发展，21世纪世界最重大的变化是全球市场的逐渐形成从而导致竞争空前加剧，产品技术含量高、更新换代加快。在计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域，对控制网络、网络控制系统的发展起到极大的推动作用。本文介绍了控制网络的作用、特点与现场总线的关系，重点介绍了网络控制系统的相关内容，包括其发展、研究现状、特点、存在的基本问题并介绍了一种时延补偿算法，并对其发展前景做了预测。关键词：控制网络;网络控制系统;现场总线TheControlNetwork,theNetworkControlSystemandtheFieldbusAbstract:Withtherapiddevelopmentofcomputerandinformationtechnology,theworldinthe21stcenturyisthemostsignificantchangeofglobalmarketcompetitiongraduallyformedresultinginanunprecedentedincrease,producttechnologycontenthigh,upgradetospeedup.Today,withtherapiddevelopmentofmoderncomputerautomaticcontrolsystem,especiallythefieldbushasbeenwidelypermeatedvariousfieldsofautomaticcontrol,thedevelopmentofcontrolnetwork,thenetworkcontrolsystemplaysagreatroleinpromoting.Thispaperintroducesthefunctionandcharacteristicsofcontrolnetworkandtherelationshipbetweenthefieldbus,mainlyintroducestherelatedcontentsofnetworkcontrolsystem,includingitsdevelopment,thebasicproblemsoftheresearchstatusquo,characteristics,andintroducesatimedelaycompensationalgorithm,andtheprospectsofthedevelopmenthasmadetheforecast.Keywords:thecontrolnetwork;thenetworkcontrolsystem;thefieldbus一．控制网络1.1什么是控制网络由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络以现场总线作为通信连接的纽带完成测量控制任务的网络系统、控制系统[1]。1.2控制网络的作用控制网络的在控制网络系统中有着不可替代的作用控制网络要将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，在把生产现场设备的运行参数、状态、以及故障与报警信息等送往控制室同时，又将各种控制、维护、组态命令，等送往位于现场的测量控制现场设备[2]。在现场级控制设备之间起着数据联系与信息沟通作用。实现与操作终端、上层管理网络的数据连接和信息共享。1.3控制网络的特点控制网络的数据传输量相对较小，传输速率相对较低，多为短帧传送。要求通信传输的实时性强，可靠性高。影响控制网络性能的因素：网络的拓扑结构、传输介质的种类与特性，介质访问控制方式、信号传输方式、网络与系统管理等。工作环境：控制网络要面临工业生产的强电磁干扰，各种机械振动、噪声、粉尘、严寒酷暑的野外工作环境。要求控制网络能适应这种恶劣工作环境[3]。控制网络中传输的信息内容：生产装置运行参数的测量值、控制量、开关阀门的工作位置、报警状态、系统配置组态、参数修改、零点量程调校信息、设备资源与维护信息等。1.4控制网络与现场总线现场总线：现场总线是一种应用于生产现场，在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间进行双向、串行、多节点数字通信[4]。控制网络：•由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络•以现场总线作为通信连接的纽带•完成测量控制任务的网络系统、控制系统由具备通信能力的测量控制设备作为网络节点连接构成的能相互沟通信息，共同完成测控任务的网络系统.如图1-1所示：图1-1现场总线控制网络二．网络控制系统2.1网络控制系统概述2.1.1网络控制系统的定义通过网络形成闭环的反馈控制系统，称为网络控制系统（NCS），即控制系统中的控制器、传感器和执行器通过网络来交换控制及传感等信息[5]。NCS强调在通信网络上建立闭环控制回路，因此NCS中的网络是一个广义的范畴，包括现场总线、工业以太网、无线通信网络，甚至因特网。NCS最主要的结构特点是系统的反馈通过网络构成闭环。NCS控制框图如图2-1所示：图2-1NCS控制框图2.1.2网络控制系统的发展在DCS出现之前,早期的计算机控制系统是直接数字控制(DDC)。所有的传感器和执行器在这种控制系统结构的中都是与一台计算机实行点对点的连接[6]。20世纪70年代末:集散控制系统(DCS)诞生，计算机控制网络首次被引入到控制系统中。但在当时条件有限,对于传感器和执行器而言,只能发送和接收模拟信号,所以在传感器与控制器、控制器与执行器之间仍采用点对点连接的DDC控制结构。现场总线技术的高速发展和成功应用,解决了NCS的可靠性和开放性问题,促使NCS在航空航天设备制造、过程控制、经济管理、远程医疗以及危险、特殊环境等控制领域的广泛应用。2.1.3网络控制系统的研究现状目前,NCS研究主要有两大分支:一个是源于计算机网络技术以提高多媒体信息传输和远程通信服务质量(QoS)为目标。一个是源于自动控制技术以满足系统稳定性及其他动态性能(QoP)为目标[7]。前者实现的是对网络的控制;后者实现的是通过网络对系统的控制。当前网络控制系统在理论上和应用中都还处于初步阶段,其中多数方法的研究做了理想化假设[8]。而大型工业生产过程具有多输入多输出、多采集频率、子系统高度祸合等复杂系统的特点,特别是在对可靠性要求很高的电力、化工、石油等复杂工业系统中,虽然迫切需要向网络控制系统过渡,但是目前还缺乏系统的理论和成熟的方案。网络控制系统在工业领域具有着广泛的实际应用背景,其智能控制与信息调度问题是网络控制系统领域的一个富有挑战性的难题,国内外控制界在这方面的研究还需要进一步的努力[9]。迫切需要从智能控制理论出发,与信息优化调度理论相结合,建立综合的理论模型,并由此建立适用的控制方法,从而为复杂工业网络控制系统的实际工程设计提供有效的分析与研究工具。2.1.4网络控制系统的特点（1）结构网络化：NCS最显著的特点体现在网络体系结构上，它支持如总线型、星型、树型等拓扑结构，与传统分层控制系统的递阶结构相比显得更加扁平和稳定；(2)节点智能化：带有CPU的智能化节点之间通过网络实现信息传输和功能协调，每个节点都是组成网络的一个细胞，且具有各自相对独立的功能[10]；(3)控制现场化和功能分散化：网络化结构使原先由中央控制器实现的任务下放到智能化现场设备上执行，使危险得到了分散，从而提高了系统的可靠性和安全性；(4)系统开放化和产品集成化：NCS的开发遵循一定标准进行，是一个开放的系统。只要不同厂家根据统一标准来开发自己的产品，这些产品之间便能实现互操作和集成。2.2网络控制系统的结构一般,对网络控制系统而言,主要存在两种结构:径直结构和分层结构,如图2-2和2-3所示。控制信号在径直结构中,被封装在帧或报文中,再经网络发送给被控对象:测量被控对象的传感器的数据也采用同样的方式,以帧或者数据包的形式,由网络发送至控制器。在实际的应用中,封装在一个主控单元的多个控制器可能用作管理多个NCS控制回路[11]。径直结构的典型应用包括:远程学习实验室和直流电机的速度控制等。图2-2径直结构的NCS主控制器在分层结构中,通过网络计算将已设好的参考信号发送给远程控制系统,远程系统再依据参考信号,来执行本地的闭环控制,并将传感器测量数据返回给主控制。一般对网络化控制回路而言,具有较本地控制回路更长的采样周期。这是因为,在远程控制器处理最新的参考信号之前,假定已经满足了参考信号[12]。与径直结构相同的是:在分层结构中,封装在一个控制单元中的多个控制器可能用作管理多个NCS控制回路。这种分层结构典型在应用在移动机器人、遥操作系统、汽车控制和航天器等领域。图2-3分层结构的NCS实际上,往往有应用的需求和设计者的方案来决定采用何种结构。例如:在机器人应用中,对机械手来说,往往要求多个电机在其关节处作用,同时达到平滑的旋转。对于这种情况,分层结构的应用将更为方便快捷,系统的鲁棒性也更强。而在直流电机的网络控制中,由于对系统的性能要有快速应变性,这种情况下,采用径直结构就更为方便[13]。在一个大规模的NCS中,由NCS的异质网络结构所决定,可能需要同时采用两种网络控制结构。在将远程闭环控制系统看作为主控制器的被控对象的情况下,将其建模转为状态空间或传递函数,那么实际上,可以将分层结构转换成径直结构。无论是采用何种网络控制结构,对NCS而言,均可采用一种典型的基本结构来表示，如图2-4所示：图2-4典型NCS结构图2.3网络控制系统中的基本问题NCS是通过网络形成的反馈控制系统。该类系统中，被控对象与控制器以及控制器与执行器之间是通过共享的通信网络相互连接的。这种网络化的控制模式具有信息资源共享、连接线数少、易于扩展、易于维护、高效率、高可靠性及灵活性等优点，是未来控制系统的发展模式。尽管NCS与传统控制系统相比有许多优点，但由于网络的介入，通信网络传输过程中出现一些不同的特点，因此在网络控制系统中存在一些不同于传统控制系统的基本问题，如节点的驱动方式、数据采样、网络诱导时延、单包及多包传输、数据包的丢失、网络调度等[14]。2.3.1网络控制系统的通信及通信协议网络控制系统中涉及较多的通信及通信协议，主要包括工业以太网、现场总线、传感器网络、无线局域网以及Internet等相互间的通信协议。图2-5通信媒体类型2.3.2节点驱动方式节点驱动方式包括时钟驱动和事件驱动两种驱动方式。时钟驱动：网络节点在一个事先确定的时间到时开始动作，事先确定的时间为节点动作的依据，如节点的采样时刻[15]。优点为：实时性强。缺点：设备多，易出现网络诱导时延、空采样、数据丢包等现象事件驱动：网络节点在一个特定的事件发生时开始动作，如网络节点通过数据网络从另外一个节点接受数据。（控制器和执行器两者均可）。优点：减少等待时间，避免了空采样、数据丢包等现象。缺点：事件驱动不易实现。2.3.3多采样率多采样率是指控制系统中两个或两个以上的采样器以不同的采样周期进行采样。原因：由于网络控制系统具有节点分散化、控制回路复杂化和功能多样化的特点，多个传感器采用相同的采样周期进行采样，已不能满足系统功能的需求[16]。2.3.4网络调度网络调度是在网络控制系统中，系统节点在共享网络中发送数据出现碰撞时，规定节点的优先发送次序、发送时刻和时间间隔。目的：尽量避免网络中信息冲突和拥塞现象的发生，从而减少网络诱导时延和数据包丢失，提高网络控制性能。2.3.5数据包丢失在控制系统中引入网络用于数据传输后，除了不可避免地带来时延影响外，数据包的丢失（PacketDropout，或称数据丢包）也可能时常发生。其原因主要有以下几点。1）网络节点偶尔发生通信故障。尽管现代芯片技术取得巨大而长足的进步，但作为网络节点的核心，微处理器不可能无时无刻保证能够正常工作，偶尔会发生故障；虽然一些保护措施（如软件狗技术）能够使发生故障的节点尽快恢复正常，使系统长期保持较可靠的工作状态，但故障不可能完全避