2022年网络控制系统的发展与面临的挑战 .pdf

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1、2008 年 8 月第 14 卷第 3 期安庆师范学院学报( 自然科学版 )Journal of Anqing Teachers College( Natural Science Edition)Aug. 2008Vol. 14 No. 3网络控制系统的发展与面临的挑战杨国诗( 淮南师范学院计算机与信息工程系, 安徽 淮南232001)摘要:网络控制系统将日趋成熟的网络系统向控制领域方面延伸与扩展。集散式控制系统具有自主性、 协调性、在线性、可靠性、风险分散等优势; 现场总线控制系统是一种开放的分布式控制系统, 是连 接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络; 开放嵌入

2、式控制网络系统具有技术支持广泛、通信速率高的特点 , 可以实现网络的无缝连接, 但也存在网络诱导时延、数据包丢失、 多包传输等方面的问题。关键词 :网络控制系统; 集散式控制系统; 现场总线控制系统; 开放嵌入式控制网络系统中图分类号 :T 273文献标识码:A文章编号 :1007-4260( 2008) 03-0104-03图 1网络控制系统结构0引言随着计算机技术、网络通信技术和控制科学的日益发展与交叉渗透, 控制系统结构越来越复杂, 空间分布越来越广, 系统物理设备的功能越来越强, 对系统控制性能的要求越来越高。控制系统已由封闭的集中体系逐渐向开放分布式体系发展, 网络传输不断应用于自动

3、化和控制领域之中, 网络控制系统因此而应运而生。网络 控制系 统 N CS ( Net w orkedCont rolSyst ems) 是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统 , 是指某个区域现场传感器、控制器及执行器和通信网络的集合, 用以提供设备之间的数据传输, 使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作 1, 2。网络控制系统的结构如图 1 所示。网络控制系统将控制功能下放到现场节点, 通过智能现场设备来完成控制和通信任务, 将计算机网络应用于控制系统中代替传统的点对点式的连线, 具有连线少、快捷简单、可靠性高、易于信息共享、系统维护和扩展以及费用低廉等优点, 广泛地应用于自动化制

4、造工厂、电力生产、化工过程、机器人、 航天航空器和电气化运输工具( 如新干线、 磁悬浮列车等)3, 4。计算机技术、通信技术与控制技术等多学科领域的交叉应用和发展给网络控制系统研究与应用带来了新的活力和生机, 下面对网络控制系统的发展及面临的挑战进行分析与讨论。1网络控制系统的发展20 世纪60 年代计算机开始运用于工业控制, 产生了直接数字控制系统( DDC)。由于当时计算机技术不发达且价格昂贵, 用一台计算机取代几乎所有控制室仪表, 实现过程控制的全部功能, 但同时也带来了危险集中的脆弱性问题, 即一旦计算机出现故障, 就会造成整个控制系统的瘫痪。20 世纪70 年代中期 , 集散控制系统

5、( DCS) 运用于工业控制系统, 这标志着网络控制系统的产生。网络控制系统的发展经历了三个阶段。*收稿日期 :2008-05-23基金项目 :安徽省教学研究项目( JYXM 2003195) 、 淮南师范学院科研基金( 2003lkp07) 资助。作者简介 :杨国诗 , 男, 上海人 , 淮南师范学院副教授, 硕士。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 1. 1集散控制系统( DistributedContr ol

6、Sy st em )5集散式控制系统( DCS) 吸收了分散仪表控制系统和集中式计算机控制系统的优点而形成了集中与分散相结合的系统, 体现了管理的集中性和控制的分散性, 将控制功能分散到若干控制站, 在监控操作站进行集中监视操作。与传统的集中式控制系统相比, DCS 具有自主性、协调性、 在线性、 可靠性、 风险分散等优势。广泛用于化工、电力、 冶金等行业工业控制。DCS 主要代表产品有: H oney w ell 的 T DC-3000 系统、 横河公司的CEATUW 、 F OXBORO公司的I/ Aser ies 等。但DCS 仍有许多不足, 第一 , DCS仍是一种模拟-数字混合系统,

7、 模拟信号的转换、传输使系统精度受到限制; 第二 , 结构上严格遵循主从式思想 , 没有完全突破集中控制思想的束缚, 一旦主机故障, 系统可靠性就无法保障; 第三 , DCS 系统属非开放式专用网络, 各系统及软硬件产品互不兼容, 难以实现互换和互操作; 第四 , DCS一对一的结构导致布线量大、布线种类多、工程周期长、安装费用高和维护困难等问题。集散控制系统在控制领域类似于计算机领域中主机与终端共用的局面。1. 2现场总线控制系统( FieldbusCont ro l Syst em)6, 7现场总线系统( FCS) 兴起于20 世纪90 年代 , 是一种开放的分布式控制系统, 是连接智能现

8、场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。它突破了DCS 系统中采用专用网络的缺陷 , 把专用封闭协议变成标准开放协议。同时它使系统具有完全数字计算和数字通信能力。结构上它采用了全分布式方案, 向下把控制功能彻底下放到现场, 依靠现场智能设备实现如PID 、 数字滤波、补偿处理等基本控制功能; 向上连接到生产管理、企业经营的方方面面, 为企业提供全面的解决方案, 提高了系统的可靠性和灵活性。当前控制领域出现了多种现场总线, 其 中最有影响力的是F F、Prof ibus 、WorldFIP、 CAN 、 L onW orks等 9。现场总线系统已经从主要用于过程控制的工业控制自

9、动化扩展到制造自动化、楼宇自动化等领域, 成为新的现场智能设备互联通信网络 8, 9。但是F CS 系统的各种协议并不统一, 不同总线协议的系统不易互连。而且, 现场总线通讯协议与上层管理信息系统或进一步的Int ernet所广泛采用的T CP / IP 协议不兼容, 也存在协议转换问题。目前多种现场总线标准并存已成定局, 受到互操作性和开放性的不足制约, 由于以太网具有广泛的技术支持, 资源共享能力强, 易于组网等优势, 因此许多公司已经将以太网引入到工业控制网络中。1. 3开放嵌入式控制网络系统( OpenEm beddedCont rolNetw or k Syst em)工业以太网、光

10、纤网络和更高性能处理器的出现使得T CP / IP 协议有可能应用于实时测控系统中,从而导致了开放嵌入式控制网络系统的产生10, 11。与现场总线相比, 工业以太网有着显著的特点 12:( 1) 技术支持广泛, 成本低廉。以太网已被使用多年, 受到广泛的技术支持, 具有大量的软、硬件资源和开发设计经验。应用于以太网上层的T CP / IP 协议日趋成熟。绝大多数计算机操作系统也配备了TCP/ IP 协议 , 网络产品均提供以太网接口。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发。( 2) 通信速率高, 发展迅速。百兆、千兆以太网已经广泛应用, 正向10 G 高速以太网发展。由于高速以太网的帧格式不

11、变, 使之向下兼容, 升级成本低, 因此以太网是理想的高性能网络载体。( 3) 实现网络的无缝连接。在以太网上使用T CP / IP, 除了应用层, 通讯协议的统一将不再有不同协议转换问题, 为控制网络与信息网络集成提供了最完美的解决方案。其开放性可以使测控网和信息网统一起来。现场信号可以在企业的Int ranet上及时发布和共享, 还可以在Int ernet / Int ranet 的任何位置对现场智能设备进行在线控制、功能组态以及远程诊断等, 实现网络控制系统真正意义上的开放性和互操作性。( 4)应用范围广泛, 高新技术推动力强。嵌入式技术的发展使得控制系统节点功能越来越强大, 以TCP/

12、 IP 协议连网的测控仪表和家庭智能化系统出现, 借助局域网和互连网实现遥感、遥控。交换式以太网等高新技术的研发推动了工业以太网的发展, 使其在实时性等方面性能大大提高。2网络控制系统面临的挑战尽管网络控制系统具有诸多优点, 但由于系统复杂, 仍面临着一系列挑战, 主要存在以下几个方面的问题 13:( 1)网络诱导时延。在网络环境下, 多用户分时共享网络通信信道。因网络带宽有限且流量变化不规则 , 当网络控制系统的传感器、执行器通过网络交换数据时, 常常出现数据碰撞、多路径传输、连接中断、网络拥塞而形成网络诱导时延。它会降低系统的性能甚至导致系统不稳定。当网络传输延时不可忽略时, 网络控制系统

13、为时滞系统。( 2)数据包丢失。对于网络控制系统, 由于系统数据实时性的要求较高, 虽然网络因节点竞争或连105第 3 期杨国诗 : 网络控制 系统的发展与面临的挑战名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 接中断等情况下数据包丢失后具有数据重发的功能, 但旧数据的重复发送对网络控制系统并不适用; 另外 , 网络拥塞或数据的破坏都可能引起发送与接收数据的不一致。数据包丢失是影响NCS 性能的重要因素之一。( 3) 多包传输

14、。由于网络传输字节长度的限制, 或由于网络控制系统中存在多个分布在不同物理位置的传感器和执行器节点, 控制信息要通过多个数据包传送, 这种情况导致在控制网络中信息存在多个不同时滞, 从而增加控制系统分析的复杂性。网络通信中存在的这些不利影响因素, 将会减小网络控制系统的鲁棒性, 降低系统控制品质, 严重时甚至会导致系统不稳定。3结束语与展望网络控制系统是控制系统发展的必然。控制网络与计算机信息网络的集成可以实现现场微观控制和企业宏观决策的一体化, 为工业控制和企业管理决策带来一种新的模式。网络控制系统作为一门崭新的学科, 其技术体系和相应的控制理论还不成熟, 理论远远落后于实际应用。随着现代控

15、制理论、计算机技术和通信技术的飞速发展, 网络控制系统正向着结构网络化、节点智能化、控制现场化、功能分散化、 系统开放化以及产品集成化的成熟目标迈进。参考文献: 1 Ray A,Halevi Y. Integrated Comm unication and Control Systems: Part I-Analysis J . ASM E Journal of Dynamic System s, Measurement and Control,1988, 110( 4) : 367-373. 2 Raji R S. Smart Netw orks for Contr ol J. IEEESp

16、ectrum,1994, 31( 6) :49-55. 3 Baruch J E F, Cox MJ. Remote Control and Rob ots: an Internet Solution J . Computing & Contr ol Engineering Control.1996( 7) : 39- 45. 4 L ian FL, et al. Control Perform anceStu dy of a Netw or ked M achining Cell C . Proceedings of the American Control Conference. Chic

17、age: 2000( 3) : 2337-2341. 5 王常力 , 廖道文 . 集散控制系统的设计与应用 M . 北京 : 清华大学出版社, 1993: 4-23. 6 夏继强 , 刑春香 . 现场总路线工业控制网络技术 M . 北京 : 北京航空航天大学出版社, 2005: 1-34. 7 吴誉 , 等.现场总线技术展望及我国的发展策略 J . 测控技术 , 1999( 11) : 1-3. 8 缪学勤 . 现场总线技术的最新进展 J . 自动化仪表, 2000, 21 ( 6) : 1-4. 9 缪学勤 . 现场总线技术的最新进展( 续完 ) J.自动化仪表, 2000, 21( 7)

18、: 1-2. 10 徐皑东 ,王宏 , 杨志家 . 基于以太网的工业控制网络 J . 信息与控制, 2000, 2( 3) : 182-186. 11 P. Otanez,J.Parrott,J. Moyne,D. Tilb ury.T he im plication s of E thern et as a ControlNetw ork C .Global Pow ertrainConference, 2002( 8) : 677- 686. 12 张庆灵 , 邱占芝 .网络控制系统 M . 北京 : 科学出版社, 2007: 1-8. 13 岳东 , 彭晨 , Qinglon g H a

19、n. 网络控制系统的分析与综合 M . 北京 : 现代出版社, 2007: 1-9.Development and Challenge of Networked Control S ystemsYANGGuo shi( Departmentof Computer and InformationEn gineering,Hu ainan Normal U nivers ity, H uainan 232001, China)Abstract:T he networked control system is the extension of well established netw ork sy

20、stem to control theory and application.Distributedcontr ol system has the advantages,such as in dependence, coordination,on-line,reliability,riskdecentralization.Fieldbuscontr ol system is an open distributedcontrolsystem and the telecomm unicationsnetwork,which is connected smart devices and automa

21、ted system sat the tw o- way digital transm ission,Multi-branch stru cture.Open embedded con tr ol netw ork system, with the characteristics of extensive technical suppor t and high-speedcom munication,can achieve seamless connectivity.But there are also network-induced delay, data packet losses, mu

22、ltiple-packets tran smission and more such issues.Key words: networked controlsystem,distributedcontrolsystem, fieldb us controlsystem , open embedded controlnetw ork system106安庆师范学院学报( 自然科学版 )2008 年名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -