几种网络控制系统的比较及典型应用

1. 引言

　　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：

　　2.1 CAN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。

　　2.2 FF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。[page]

　　2.3 PROFIBUS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-PA 3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。

　　2.4 LonWorks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、外来帧传输的服务。

3. 几种系统的特点及适用性

　　3.1 CAN的特点及适用性

　　CAN正如它的名称一样，是控制网络中的局域网类型。如前所述，它从一开始就是专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总线式串行通信技术。它只包括了物理层和数据链路层，其全部内容可以封装在通信控制器的芯片内。因而可以说它并不是一项完整的控制网络技术，也不足以构成一个企业的控制网络，比较适宜于作为控制网络的节点通信芯片的通信规范。

　　3.2 FF的特点及适用性

　　基金会现场总线的最大特征就在于它不仅仅是一种总线，而且是一个系统，是网络系统，也是自动化系统，它使自动化系统具备了网络化特征，也使各种网络通信围绕完成各种自动化任务进行。

　　这种网络控制系统特别适合于过程自动化生产，它既可以完成全分布式自动化系统的主要功能即对工业生产过程的各个参数进行测量、信号变送、控制、显示、计算等，而它所具有的网络通信能力又使它的各项自动化功能是通过网络节点间的信息传输、连接、各部分的功能集成而共同完成的，更有效、方便地实现生产过程地安全、稳定、经济运行，并进一步实现管控一体化。另外，还可以实现总线供电。

　　它的另一大优势是现场设备开发中的设备描述（DD）技术，这使得它拥有较好的可互操作性，而且制造商也不必专门制造适应它的接口，还可以不断添加新的块或参数。

　　但FF通信技术设立了低速、高速两部分网段，即H1和HSE，在现场管理级，也即现场总线部分使用的是低速总线H1的标准，通信速率为31.25Kbps，这对于需要高速数据传输的分散设备之间的通信就略显局促。

　　3.3 FROFIBUS的特点及适用性

　　FROFIBUS可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化，如前面所提到的，该系统分为主站和从站，主站决定总线的数据通信。从站为外围设备，没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。

　　FROFIBUS系统是比较完善的网络控制系统，可以完成从设备级自动控制到车间级过程控制以致最上层的工厂管理级的控制，但系统设计复杂，由于主从式的设计导致软硬件投入也比前两种系统大很多，因此比较适宜于规模较大，经济和技术实力都较强劲的企业。

　　3.4 LonWorks的特点及适用性

　　LonWorks的最大特色就在于他与互联网的无缝结合，第三代的LonWorks技术已能充分利用互联网资源，将一个现场设备控制局域网络变成一个借助广域网跨越远程地域的控制网络，并提供端到端的各种增值服务。它的另一大特色是它的互操作性。不同生产厂商的器件之间实现了互相操作、互相替代。

　　在LonWorks应用系统结构中，LonWorks技术嵌入到现场设备中，使设备与设备之间保持对等的通信结构。同时，这些控制网络又通过各种互联网的连接设备将控制网络的信息通过互联网接入某个数据中心或运营商主持的企业数据库。还能通过LNS控制网络操作系统建立上层的企业解决方案，同时与ERP、CRM等信息技术应用相结合。

　　因此LonWorks网络控制系统比较适用于那些地域分布很广而又需要上层集中管理的企业类型，比如电力系统的变电站、大厦物业管理、便利超市的统一管理等。

4. 典型应用举例

　　限于篇幅，这里列举FF和LonWorks两种网络控制系统的应用实例，以便更清晰地展现这两种网络的结构和特点。选择这两种网络结构的原因正如前所说CAN并不是一个完整的网络控制系统而PROFIBUS系统的结构又过于复杂，而且PROFIBUS-PA的标准目前与IEC1158-2（H1）标准，即FF通信技术的低速网段部分标准相兼容。所以选取FF和LonWorks网络系统更具有典型性。

　　4.1 FF网络设计

　　控制网络的设计是FF应用系统设计的特色，图2为一个工业现场典型的FF网络系统的构成图。图中包括多个低速网段H1和高速网段HSE。整个系统由计算机（主要用来监视操作）、控制器、网络连接设备（作为网关）、网卡以及由现场总线连接的现场设备共同组成。

　　4.2 楼宇自动化抄表系统中的LonWorks网络设计

　　该系统设计中采用了LonWorks的LNS客户服务器构架来实现小区的抄表、数据统计和网络管理功能。以便完成开发商对于三表收费系统的较高要求即：完成三表操作并且将采集来的数据直接进入数据库并实现收费、查询、打印;对于电表要根据不同时段采用多种付费率;现场节点能不依赖于上位机独立分时统计。[page]

　　图3为整个工程结构图。前端为现场控制机柜，每个机柜插一块或数块LonWorks控制模块，负责一个单元或几户的水表和电表检测。上位机采用客户服务器结构，数据库管理机作为网络服务器，管理网络数据库，同时处理收费系统的数据库。网络管理机是一台便携机，作为客户机，在系统出现问题时通过网络服务器上的共享网络数据库进行网络安装和维护。本系统可以连接多台客户作为网络管理，甚至通过internet对网络进行管理维护。

5. 结论

　　NCS是网络技术与工业应用结合的产物，它的出现解决了控制系统发展中出现的很多问题，进一步提高了企业的生产效率，发展了生产力。几种比较成熟的网络控制系统技术因为其在通信技术和硬件组成上的很多不同而彰现出各自的特点，企业应该在了解自己的生产状况和经济实力的基础上，根据自己的特点选择较适合自己的控制系统。本文通过比较几种较成熟的网络控制系统技术以及典型应用实例，初步得出了几种不同系统适用的地方，希望对部分企业的技术革新带来帮助，并能为我国的改革和现代化建设贡献出微薄的力量。

参考文献:

　　[1] 阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M].北京:清华大学出版社,2003.6.

　　[2] 彭晨,岳东.网络控制系统中基于时延辨识的模糊控制器研究[J].信息与控制,2004.33（5）:584-589

　　[3] 张云生.网络控制系统[M].重庆:重庆大学出版社,2003.6.

　　[4] Feng-Li Lian, James Moyne, Dawn Tilbury. Network Design Consideration for Distributed Control Systems[J].IEEE Transaction on Control Systems Technology,2002,3,10（2）:297-307.

　　[5] 白涛,吴智明,杨根科.网络化的控制系统[J].控制理论与应用,2004,21（4）: 584-589.

　　[6] 甘永梅. 现场总线技术及其应用 [ M ]. 北京:机械工业出版社,2004