搜索
1研究生课程论文(2010-2011学年第一学期)控制网络系统的发展和研究研究生：刘树青提交日期：2010年月25日研究生签名：刘树青学号201020114832学院自动化科学与工程学院课程编号S0811016课程名称控制网络与系统集成学位类别硕士任课教师陈立定教师评语：成绩评定：分任课教师签名：年月日2控制网络系统的发展和研究刘树青摘要：随着现实生产、生活中大型复杂分布式控制应用的不断增长，计算机和网络通讯技术被广泛应用于控制领域。控制、计算机和网络技术的交叉与融合，促成了控制网络系统(CNS)这一新控制模式的产生和发展。控制网络技术引起了控制领域的深刻变革，控制网络系统必将成为未来自动控制系统的主流。本论文正是在这样的背景下，首先给出控制网络和控制网络系统的定义，论述了它们的特点和优点。其次，在对于控制系统网络化发展趋势进行分析的基础上，提出了控制网络系统发展的三个主要阶段及其技术特性。接着，分析了当前控制网络系统发展的现状，指出不同控制网络系统间互连与集成是现阶段的主要特点。最后，详细介绍了目前国内外控制网络系统理论与应用的研究现状。关键词：控制网络系统；现场总线；工业以太网；系统集成ResearchandDevelopmentOnControlNetworkSystemLiuShuqingAbstract：Astheapplicationsoflargescale，complexanddistributedcontrolcontinuetogrowinbothdailylifeandsocialproduction，computerandnetworkcommunicationtechnologiesarewidelyusedinthedomainofautomaticcontrol．Mergingofcontrol，computerandnetworktechnologiespromotesthebirthanddevelopmentofcontrolnetworksystem(CNS)，whichconsistsofabrandnewcontrolpattern.ControlnetworktechnologyhascausedprofoundchangesincontrolareaandCNSisduetobethemainstreamoffutureautomaticcontrolsystems.Onthisbackground，weintroducesthedefinitionofcontrolnetworkandCNS．Discussingtheircharacteristicsandadvantages．Onthebasisofanalyzingthe3developmentofnetworkcontrolsystems,itsummarizesthreeimportantdevelopmentphrasesofCNSandtheirowntechnicalcharacteristics.Then，itstudiescurrentsituationofcontrolnetworkdevelopment，pointingoutthatinterconnectionandintegrationofdifferentkindsofCNSisthekeycharacteristicofthephraseundergoing.Finally,thechapterexplains，indetail，theresearchstatusofCNSinboththeoryandapplication.Keywords:ControlNetworkSystem;Fieldbus;IndustrialEthemet;SystemIntegration引言信息技术的高速发展和应用推广彻底改变了社会生产、生活的运作方式和运行效率，给工业企业发展带来了新的机遇和挑战。信息化促进了经济的全球一体化，随着我国加入WTO，全球经济一体化进程的不断加快，经济的竞争威胁到众多企业的生存。人们为追求更大的经济效益，对生产过程的安全、高效、优质、低耗的要求在不断提高。现代大工业生产向自动化和信息化方向发展成为必然的趋势，是提高企业综合竞争力的重要保证手段。信息沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。形成新型的管控一体化的全开放工业控制网络，是现代企业提出的要求，也是信息发展进程的结果。通信和网络技术的出现是分散控制系统诞生的重要特征，而今天以现场总线、网络技术、数据库技术、开放技术为核心的工业通信网络和系统集成技术，也正推动着工业控制系统向综合自动化迈进，推动着工业企业向信息化方向迈进。工业通信网络和系统集成技术，作为企业综合自动化、信息化的基础，是企业实现集成自动化、先进控制、过程优化、高效生产管理的技术保证，对工业自动化领域的发展起着举足轻重的作用。从集散控制系统DCS开始，引入了计算机网络技术。计算机网络技术引入控制系统，带来了控制系统的一系列变革，网络控制系统是计算机通信技术与控制技术发展和融合4的产物，分布式控制系统(DCS)、现场总线控制系统、工业以太网都属于网络控制系统。它体现了过程控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的发展趋势。计算机和信息网络技术的发展水平直接影响着控制技术的进步。无论是DCS还是现场总线控制系统，无一例外地建立在网络技术之上。因此，控制与通信、人与机器的交互是现代控制论的主题。1控制网络及控制网络系统的定义、特点和优点1.1控制网络系统的定义定义1控制网络(ControlNetwork)是面向复杂分布式控制应用或控制对象，采用计算机和网络通讯技术，在各个功能模块化的控制节点或予系统间传递控制和管理信息，完成复杂的整体控制功能，从而形成的数字通信网络。定义2控制网络系统(ControlNetworkSystem)是由控制网络结合相应控制策略和方法所形成的分布式网络化控制系统。控制网络系统也被称为网络化控制系统(NetworkedControlSystem)。本文一般均采用控制网络系统(CNS)这种称法。控制网络系统有狭义和广义之分。狭义的控制网络系统是指在局部区域内现场的检测、控制、操作设备以及通信线路的集合，用以实现设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。广义控制网络系统中包括狭义控制网络系统，还包括通过企业内部信息网络甚至Internet实现的对全工厂、车间生产线直至现场设备的监控调度、管理优化等。控制网络系统与控制网络技术的产生和发展有内外两个因素。现代控制应用中，控制对象更加复杂，覆盖地理范围更加广泛，对象模型越来越不确定，优化控制要求越来越高，这是控制网络产生的内在动力。计算机网络技术、分布式控制技术、大规模集成电路技术不断发展，提供了客观现实条件，促成了控制网络技术出现。这是其产生的外5部条件。以底层控制网络为基础，把控制现场的各种传感器、控制器、执行器、监控管理模块或者某些单独集中式控制系统连接起来，进而通过网关或路由器把各种控制网络子网互连，组成了大型复杂的控制网络系统。1．2控制网络系统的特点控制融络系统衍生于计算机网络和传统集中式控制系统。由于应用对象和采用技术的改变，控制网络系统与两者既有紧密联系，也有较显著区别。控制网络系统有自己的特点，具体表现为：1)分布式的网络体系结构。这是控制网络系统不同于以往控制系统的一个重要特点。在现代工业、交通及能源生产等控制中，存在大量分散的控制和传感信号，它们分布范围小到几十米，大到几公里、几十公里。传统集中式体系结构的控制系统显然无法满足要求，必须引入网络和分布式技术到现代控制应用中。2)全数字化通讯。控制网络几乎完全摒除了模拟通讯方式，采用了全数字通讯技术。由于模拟量到数字量的转换在各个网络节点内部完成，信息传递过程中均采用数字化形式，因而系统整体精度得到提高。3)模块化的功能设计。控制网络系统采用了分布式技术，相比以往控制系统更加强调系统的功能模块化划分。通过将整体控制功能细化、分解，使不同控制节点完成不同控制功能。这样简化了系统的设计和实现，提高了系统可靠性。一些已定义的常用功能模块如：DI／DO模块、AD/DA模块、系统时钟模块、控制算法模块、通讯接口模块、系统监控和网络维护模块等。4)节点间较强的耦合性。控制网络是面向控制对象的整体。各个不同功能的网络节点必须通过信息交换，按照某些特定算法，协调完成对象的控制任务。控制网络节点间的耦合性比计算机信息网络更强，节点只有通过互相依赖、相互协作，才可能实现满意6的控制效果。5)网络通讯的强实时性。控制网络系统一般均通过网络连接构成闭环控制模式，周期性控制任务对于网络通讯具有较高的实时性要求。同时，由于涉及到人身和设备安全等因素，控制网络通讯实时性与可靠性的要求总体上比计算机信息网络更高。快速、可靠的数据投递是对控制网络的根本要求。6)低成本和恶劣环境的适应性。控制网络应用于生产和管理过程的底层，现场检控设备繁多、复杂；而且不同于计算机信息网络主要用于企业办公和家庭信息处理，它的应用环境更加恶劣。这些因素导致对整个系统的低廉成本、不良环境的适应性提出了更高要求。7)网络的局域性。尽管控制网络能够通过网桥或网关扩展、互连，但是控制系统和应用对象的实时性决定了它不会等同于Internet这种大规模广域互连计算机网络。控制网络具有一定的局域特性，这也使得它同计算机局域网络在结构和技术上有相似性。控制网络也被称为控制领域的局域网。8)系统的开放性和兼容性。控制网络系统通讯协议应是开放的协议，这也是它优于传统集散控制系统的特点之一。传统集散控制系统的通讯协议由各生产厂家规定；它们属于专用协议，各种协议不能互相兼容。当前控制网络协议几乎全都是公开协议，有统一的组织进行管理和规范，因而具有开放性。遵循同一协议的不同系统可以方便她互连，具有良好兼容性和互操作性。由于历史和现实利益等原因，在协议开放性和系统兼容性方面仍有很多工作需要去做。9)系统的可扩展性和易重构性。任何网络系统都具有较好的可扩展性和易重构性，这也是控制网络系统的一个优点。当控制对象发生变化时，可以通过改变网络结构或扩展网段来满足控制应用要求。对以往的控制系统而言，适应这些形式上的改变是比较困7难的。1．3控制网络系统的优点控制网络系统由于采用了网络技术和分布式结构，其特点决定了它相对于传统集中式或集散式控制系统具有更多优点。1)提高了控制系统的精度和可靠性模块化功能设计、全数字通讯和分布式多节点参与控制提高了系统控制精度；通过改变紧耦合结构的集中控制形式为松耦合结构的分布式控制网络，增强了系统整体的可靠性。2)增强了系统信息集成能力，有利于不同网络的互连集成控制网络不仅传递控制参数和状态信号，还可以包括设备诊断和电子归档信息，其信息含量十分丰富；其开放性和互操作性使得系统信息集成、共享的要求能够得到最大满足。由于各种网络技术向控制领域的渗透以及控制技术发展的延续性，当前控制网络出现了多种网络技术和协议共存的局面。多种控制网络互连是目前控制系统网络化的主要特点之一，它实现了控制信息的共享与融合。控制网络与计算机网络技术上逐步趋同，也使得它更容易同管理信息网络集成。由于控制网络和计算机网络技术上有相通之处，因而它们可以比较容易通过软、硬件设备进行网络集成。控制网络与计算机信息网络的集成能够实现局部现场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模式。3)便于安装和维护控制网络系统的模块化设计思想与分布式网络结构，也使得系统的安装和维护得到了简化。安装和维护都可以按照不同的功能模块来进行。各种丰富的现场信息增加了系8统的可维护性。当系统发生故障时，调试不同功能模块，可以迅速查找出故障点；还可以通过暂时屏蔽故障节点，进行现场维修。系统的算法和组态可以通过网络实时下载到现场各节点，便于系统的升级。4)可以降低系统成本在