网络化控制论文

网络化控制的研究现状与展望

1引言

随着计算机控制技术的快速发展,控制系统的应用领域越来越广泛,控制对象日益复杂,控制系统朝着更加分散化、智能化的方向发展。复杂控制系统通常被分解成若干个分布式的单一功能子系统,系统操作灵活,设计简单,方便安装与维护。与此同时,网络技术越来越成熟,使得用户可以进行远程的数据传输及交互操作,并且其成本、布线复杂性、维护难度等大大降低。由于网络技术的优点,大量的研究及应用开始集中在将数据网络用于远程的工业控制及工业自动化领域中。将网络集成到控制系统中取代传统的计算机控制系统中点对点的连接具有很多优点,但是,在反馈控制回路中加入通信网络的同时,也增加了控制系统分析和设计的复杂性。因此,网络化控制系统必须解决的主要问题之一,就是在网络带宽有限的情况下如何保证控制系统的实时性和稳定性。网络化控制系统近年来逐渐成为控制领域一个研究热点,大量的科技文献都从不同的角度对其进行了研究和讨论。本文主要介绍了网络化控制系统的定义、发展和典型结构,着重综述了目前网络化控制系统的控制方法,最后对网络化控制系统的未来发展进行了展望网络化控制系统是综合自动化技术发展的必然趋势，是控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物。本书基于现场总线技术及自动化北京市重点实验室的科研成果，系统地介绍了网络化控制系统的组成原理、控制结构、建模方法，网络拥塞闭环控制机理，网络时延闭环控制方法，现场总线控制技术及应用，基于工业以太网的控制系统设计，基于Internet和Web的网络远程控制系统设计。网络化控制系统软件开发技术，以及网络化控制技术在工业加热炉、工业锅炉和电厂锅炉湿法烟气脱硫中的应用。

在传统的计算机控制系统中，传感器和执行器都是与计算机实现点对点的连接，传递信号一般采用电压和电流等模拟信号。在这种结构模式下，控制系统往往布线复杂，从而增加了系统成本，降低了系统的可靠性、抗干扰性、灵活性和扩展性，特别在地域分散的情况下，传统控制系统的高成本、低可靠性等弊端更加突出。随着计算机技术和网络通信技术的不断发展，工业控制系统也发生了巨大的技术变革，网络化控制系统（NetworkedControlSystem，NCS）应运而生，其主要标志就是在控制系统中引入了计算机网络，从而使得众多的传感器、执行器、控制器等主要功能部件能够通过网络相连接，相关的信号和数据通过通信网络进行传输和交换，避免了点对点专线的铺设，而且可以实现资源共享、远程操作和控制，增加了系统的灵活性和可靠性。

在控制系统中使用网络并不是一个新的想法，它可以追溯到20世纪70年代末期集散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）的诞生。在DCS出现之前，早期的计算机控制系统是直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC），在这种控制结构中，所有传感器和执行器都与同一台计算机点对点的连接。由于当时计算机昂贵，系统一般采用集中式的体系结构，整个生产过程和控制策略都由一台计算机完成，即使是计算机一个单一的故障也会使整个系统及其所有回路失效。伴随着计算机成本的下降和网络技术的发展，（计算机）控制网络被首次引入到了控制系统，导致了DCS的产生。DCS将控制任务分散到若干小型的计算机控制器（也叫做现场控制站）中，每个控制器采用DDC控制结构处理部分控制回路，而在控制器与控制器、控制器与上位机（操作员站或工程师站）之问建立了计算机控制网络，这种控制结构使得操作员在上位机中能够对被控系统的实时运行状态进行监控，某个控制回路的控制策略的设计也可以在上位机中组态完成，通过控制网络下载到对应的控制器中实时运行。DCS大大提高了控制系统的可靠性，并实现了集中管理和分散控制。

2 网络控制系统的定义与发展

所谓网络化控制系统,是指在串行网络上实现控制回路的系统,即控制系统中的控制器、传感器和执行器等元件通过串行网络来交换控制及传感等信号。

始于20世纪50年代的计算机控制系统,因其体积大、功耗高、可靠性差,使之在控制系统的应用很有限,大多工作在监控模式下,在随后出现的直接数字控制(DDC)系统中,计算机成为控制回路的一部分。随着计算机技术的快速发展和控制系统规模的增大,越来越需要计算能力的分布化。Honeywell公司在1975年开发出第一个分布式控制系统(DCS)TDC2000。在如图2 所示的DCS系统中,几台控制计算机作为过程工作站用来控制工业过程,操作员站和各种辅助工作站用来监视和保存过程数据以及进行过程优化。传感器和执行器直接连接到控制计算机上,只有开关信号、监视信息、警报信息等通过串行网络传输。到了20世纪90年代,微处理器的发展对计算机在控制系统中的应用产生了深刻影响。随着ASIC芯片设计技术的发展和硅片价格下降,传感器和执行器可以带有网络接口,并成为实时控制网络中的独立节点,这导致了NCS的出现。在如图3所示的NCS中,所有的控制器、传感器、执行器共享同一串行网络。近20年来,控制网络获得迅速发展,目前应用于控制领域中的网络化控制系统有现场总线控制系统( fieldbus control system) 、工业以太网( industrial Ethernet)控制系统以及无线网控制系统(wirelessNCS)等。特别是作为其主流的现场总线技术已形成了一系列国际标准,比较有影响的有CAN, F IP,FF, PROF IBUS等。

目前应用于控制领域中的网络化控制系统有现场总线控制系统(Fieldbus

Control System )、工业以太网(IndustrialEthernet)控制系统以及无线网控制系统(Wireless NCS)等。

2.1现场总线控制系统

根据国际电工委员会IEC/SC65C的定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线、以现场总线为基础而发展起来的数字控制系统称作现场总线控制系统(FCS)。

从控制系统开放性的角度上讲，现场总线控制技术可以认为是网络化控制系统发展的初级阶段，至今仍是工业控制领域的应用热点〔)例如，应用于现代汽车工业中的CAN,I‘一泛用于楼宇智能控制的LonWorks、应用于石油化工及工业过程控制中的FF、以及侧重于PLC通信的PROFIBUS和其他诸如ControlNet , Wor1dFIP , Interbus , ASI , DeviceNet , SwiftNet , HART ,SDS , Seriplex , P_Net等等多种现场总线技术、形形色色的现场总线根据自己的特色及市场定位，在特定的应用领域中显示出了各自的特点和优势。

由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方向发展，其中的通信技术己成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求口益迫切、另一方面，由于Intranet/Internet技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到信息管理层能实现无缝透明集成、)由于现场总线种类繁多，多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输，信息网络在协议上的鸿沟造成了工业自动化的透明集成的障碍，促使人们开始寻求新的解决办法。

2.2工业以太网(IE)控制系统

以太网技术经过多年的发展，特别是在Internet中的应用，使其更为成熟，并且产品价格较之其它类型的网络都具有明显的优势、此外，由于控制网络与一般计算机网络、Internet的联系更为密切，控制网络需要考虑与数据网络连接的一致性，这就提高了对现场设备通信性能的要求、)这些因素成为以太网技术进入工业控制领域的主要原因、)以太网采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的介质访问控制方式，当某个节点要传送数据时，它将监听网络如果网络忙，则等待直至网络空闲，否则立即传送、)如果有多个节点监听到网络空闲并决定同时传送数据，那么这些节点就会发生报文冲突，引起数据丢失〔)此时这个传送节点将停i1=传送，等待由标准二进制指数退避算法确定的一段随机长的时间后再重新传送〔)这个过程是非实时的，以太网也因此一直被称为是一种不确定性(nondeterministic)网络，而控制系统最大的特点在于满足实时通信的要求，以太网的这种平等竞争的介质访问控制方式难以满足实时性，这也成为以太网进入控制领域的主要障碍、此外，以太网还要考虑环境适应性、可靠性，总线供电以及木安防爆等安全性问题、)

工业以太网控制技术是普通以太网技术在控制网络中延伸的产物、)目前己