几种网络控制系统的比较及典型应用

几种网络控制系统的比较及典型应用

网络控制系统（NCSs）是近年来发展形成的自动控制领域的新技术，是计算机网络、通信与自动控制技术结合的产物[1]。随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业的信息集成系统正在不断壮大，而网络化控制是复杂控制系统和远程控制系统的客观需求。[2]

在工业中已成功应用了几十年的传统控制系统，随着物理设备和系统功能的扩充，在很多方面已经达到了它的应用极限，而具有通用总线结构的网络系统，即网络控制系统NCS，则以其完整的体系结构，分布式的操作运行模式，相对独立又能很好互联的通信方式，节省的布线和信号可靠性，显示出种种优点。[3]

然而在目前的市场上存在着多种网络控制系统并存的局面，国际标准化组织还难以将其统一。对于大多数企业来说，选择不同的系统在人力、财力、物力上都要有相应不同程度的投入，因此决定何种系统更适合自己的生产控制状况，对于提高企业生产力具有一定作用，本文初步总结了每种网络控制系统的特点，以期给各企业改进生产提供一定的帮助。此外，列举了目前比较典型的两种网络控制系统的应用，具体展现NCSs的实用性。

2.几种网络控制系统的比较

目前NCS研究领域的两大主流方向就是：①源于自动控制技术以满足系统稳定及动态性能（quality of performance,QoP）为目标的分析手段;②源于计算机网络技术以保证多媒体信息传输和远程通信服务质量（quality of service,QoS）的分析手段[4][5]，本文主要从数据通信技术方面，也就是QoS角度来比较他们的不同。

下面主要比较几种网络控制系统CAN、FF、PROFIBUS和LonWorks的通信模型。工业现场有其具体特点，如果按照OSI7层模式的参考模型，由于层间操作与转换的复杂性，网络接口的造价与时间开销显得过高。为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的通信模型大都在OSI模型的基础上进行了不同程度的简化[3]。如下图所示：

图1ISO/OSI模型与CAN、FF、PROFIBUS、LonTalk通信模型比较

Fig.1Comparison of ISO/OSI and CAN、FF、PROFIBUS、LonTalk reference model

2.1CAN的通信参考模型

CAN（controller area network）是控制器局域网的简称，是德国Bosch公司在1986年为解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信总线。

参照ISO/OSI标准模型，CAN分为数据链路层（包括逻辑链路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC）和物理层。如图1中CAN部分所示。

MAC子层主要规定传输规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障

界定。MAC子层要为开始一次新的发送确定总线是否开放或者是否马上开始接收。位定时也是MAC子层的一部分。物理层规定了节点的全部电气特性。

CAN的通信协议由CAN通信控制器完成。CAN通信控制器由实现CAN总线协议的部分和跟微控制器接口部分的电路组成。

2.2FF的通信参考模型

FF数据通信与控制网络技术是由现场总线基金会FF（fieldbus foundation）组织开发的，已被列入IEC61158标准。

FF的参考模型只具备ISO/OSI参考模型7层中的物理层、数据链路层和应用层，并把应用层划分为总线访问子层和总线报文规范子层，不过它又在原有ISO/OSI参考模型的第7层应用层之上增加了新的一层——用户层。

其中，物理层规定了信号如何发送;数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度通信;应用层规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式;用户层用于组成用户所需要的应用程序，例如规定标准的功能块、设备描述，实现网络管理、系统管理等。模型如图3中FF部分所示。

2.3PROFIBUS的通信参考模型

PROFIBUS是Process Fieldbus的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准。PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA3个兼容版本。[6]

PROFIBUS-DP：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输。

PROFIBUS-FMS：解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于一般自动化控制。

PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，标准的本质安全的传输技术，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。

PROFIBUS采用了OSI模型的物理层、数据链路层。外设间的高速数据传输采用DP型，隐去了第3～7层，而增加了直接数据连接拟合，作为用户接口;FMS型则只隐去了第3～6层，采用了应用层。具体模型如图1中PROFIBUS部分所示。

PA型的标准目前还处于制定过程中，与FF通信技术的低速网段部分标准相兼容。

PROFIBUS总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式，主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或索取信息，通过这种方法有可能实现下列系统配置：纯主——从系统;纯主——主系统（带令牌传递）;混合系统。

2.4LonWorks通信协议——LonTalk

LonWorks是一个开放的控制网络平台技术，是国际上普遍用来连接日常设备的标准之一,它采用分布式的智能设备组建控制网络，同时也支持主从式网络结构。它支持各种通信介质，该控制网络的核心部分——LonTalk通信协议已经固化在神经元芯片之中。

LonWorks被誉为通用控制网络,正是由于它的通信协议LonTalk是ISO组织制定的OSI 开放系统互连参考模型的七层协议的一个子集。LonTalk与OSI的七层协议比较如图1。

LonTalk协议在物理层协议中支持多种通信协议，以适应不同的通信介质需要;它的MAC子层是链路层的一部分，它使用OSI各层协议的标准接口和链路层的其它部分进行通信;链路层提供子网内LPDU帧顺序的无响应传输，提供错误检测但不提供错误恢复能力;网络层提供给用户一个简单的通信接口，定义了如何接收、发送和响应报文等;传输层是无连接的，提供1对1节点，1对多节点的可靠传输;会话层提供请求——响应机制，通过节点的连接来进行远程数据服务;表示层和应用层提供网络变量、显示报文、网络管理、网络跟踪、