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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(fieldbuscontrolsystem)、工业以太网(industrialEthernet)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,FIP,FF,PROFIBUS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(FieldbusControlSystem)、工业以太网(IndustrialEthernet)控制系统以及无线网控制系统(WirelessNCS)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、)目前己经出现工业以太网技术如H1的高速网段HSE,Ethernet/IP,ProfiNet等、工业应用中非实时数据的特点是大小和发送频率经常变化，而实时数据的特点是数据包短、负荷低、)一般利用TCP/IP协议来发送准确性要求较高的非实时数据(例如用户编程数据、组态数据等)，这些数据实时性要求不高，数据大小及频率经常变化;而用UDP/IP来发送实时数据(例如各种检测设备和控制器的I/0信号，控制器之间的互锁信号和部分系统状态监视数据等)，实时数据的数据包短，负荷低、)尽管工业以太网采用提高通信速率、全双工交换技术、提供适应工业环境的器件等措施，这些措施能在一定程度上缓解不确定问题，但还不能从根木上解决问题，因此还有待于进一步研究。2.3无线局域网控制系统无线通信网在近年来得到了迅猛的发展、)无线通信网的类型有微波传输、卫星传输、无线局域网以及Adho。网络等用户对便携计算机通信的需要和分组交换技术的发展是无线局域网得以迅速发展的关键因素、)另一方面，有线网络成木高、施工周期长、维护不方便，尤其是缺乏灵活性，无线或无线与有线相结合的网络可以克服这些缺点、)工业控制网络应用规模的不断扩大，由于环境的限制在许多场合卜都不能构建有线网络，显然，无线局域网技术可以为这个问题提供解决方案。无线局域网技术是计算机网络和无线通信技术相结合的产物〔)无线局域网中所用的是便携设备，其中的分组传输包括移动站之间和移动站与固定站之间的传输、)使用无线多址信道的分组交换网络，采用载波监听多路访问/冲突避免(CSMACA)的介质访问控制方式。一些论文对网络化控制系统中引入无线通信网技术以及无线网的介质访问控制方式与控制性能等方面作了研究i;i)在工业自动化系统中，通过无线链路在传感器、控制器以及执行fiJL构之间传送测量值及控制指令，可以实现快速分发、安装灵活、实现全移动式操作并且可以避免有线网络因环境而恶化的情况、)但是无线网络化控制系统的实现仍然是一个具有挑战性的任务，同工业以太网控制技术类似，无线局域网技术同样存在数据丢失、随机延迟以及安全性等问题，并且频谱缺乏是无线链路性能的一个主要限制因素。尽管无线网技术应用到网络化控制系统中还处于起步阶段，控制系统的性能要求也使得无线网短时期内不能)‘一泛地用于网络化控制系统中，但随着宽带无线网络技术的发展，在未来一段时间内，宽带无线网与有线网的融合将在工业自动化中扮演越来越重要的角色、3网络控制系统的结构和特性根据控制系统的复杂程度以及控制应用目的的不同，可以将网络化控制系统从基木结构上分为两种类型。一类是直连结构，如图1所示、)控制器和被控设备分布在不同的地点而直接利用网络连接。网络作为传输通道用于控制器和执行器之间以及传感器和控制器之间的信号传输，构成一个远程的闭环控制回路〔)控制器按协议层的不同将控制信号封装成帧或数据包经由网络发送到被控设备，被控设备的传感器同样将系统的输出封装成帧或数据包作为反馈信号经由网络送回到控制器、)在实际的应用中，一个独立的硬件单元(如远程监控计算机)可以承担多个控制器的任务，分别用于管理多个被控设备，构成多回路的网络化控制系统，例如远程教学实验室、直流电机调速控制系统等等、)另一类网络化控制系统是由一个主控制器和一个远程的闭环控制系统构成，如图2所示，称为分级结构的网络化控制系统〔)主控制器经由网络发送参考信号到远程控制系统，远程控制系统处理参考信号进行闭环控制，且将传感器的测量值返回到主控制器、)通常，由于网络的存在，这种网络化控制系统的采样周期要大于由远程控制器和被控设备构成的闭环控制回路的采样周期、)同直连结构的网络化控