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1、几种网络控制系统的比拟及典型应用ronggang导语：通过比拟的方式研究了目前几种比拟成熟的网络控制系统的特点，以期指出他们各自更加合适什么类型的企业和消费状况，并根据其中两种网络控制系统的特点设计出针对详细应用场合的施行方案摘要：通过比拟的方式研究了目前几种比拟成熟的网络控制系统的特点，以期指出他们各自更加合适什么类型的企业和消费状况，并根据其中两种网络控制系统的特点设计出针对详细应用场合的施行方案。目的是为了在目前各种网络控制系统并存而又没有制定出统一标准的情况下为各种不同的企业选择合适自己的网络控制系统提供借鉴。关键词：网络化控制系统NCSs;CAN;FF;PROFIBUS;LonWor
2、ks;通讯模型1.引言网络控制系统NCSs是近年来开展形成的自动控制领域的新技术，是计算机网络、通讯与自动控制技术结合的产物1。随着自动控制、计算机、通讯、网络等技术的开展，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大，在很多方面已经到达了它的应用极限，而具有通用总线构造的网络系统，即网络控制系统NCS，那么以其完好的体系构造，分布式的操纵运行形式，相对独立又能很好互联的通讯方式，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场面，国际标准化
3、组织还难以将其统一。对于大多数企业来讲，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合适自己的消费控制状况，对于进步企业消费力具有一定作用，本文初步总结了每种网络控制系统的特点，以期给各企业改良消费提供一定的帮助。此外，列举了目前比拟典型的两种网络控制系统的应用，详细展现NCSs的实用性。2.几种网络控制系统的比拟目前NCS研究领域的两大主流方向就是：源于自动控制技术以知足系统稳定及动态性能qualityofperformance,QoP为目的的分析手段;源于计算机网络技术以保证多媒体信息传输和远程通讯效劳质量qualityofservice,QoS的分析手段
4、45，本文主要从数据通讯技术方面，也就是QoS角度来比拟他们的不同。下面主要比拟几种网络控制系统CAN、FF、PROFIBUS和LonWorks的通讯模型。工业现场有其详细特点，假如按照OSI7层形式的参考模型，由于层间操纵与转换的复杂性，网络接口的造价与时间开销显得过高。为知足实时性要求，也为了实现工业网络的低本钱，现场总线采用的通讯模型大都在OSI模型的根底上进展了不同程度的简化3。如下列图所示：align=center图1ISO/OSI模型与CAN、FF、PROFIBUS、LonTalk通讯模型比拟Fig.1ComparisonofISO/OSIandCAN、FF、PROFIBUS、Lo
5、nTalkreferencemodel/align2.1CAN的通讯参考模型CANcontrollerareanetwork是控制器局域网的简称，是德国Bosch公司在1986年为解决当代汽车中诸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讯总线。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局部所示。MAC子层主要规定传输规那么，即控制帧构造、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。MAC子层要为开场一次新的发送确定总线是否开放或是否马上开场接收。位定时也是MAC子层的一局部。物理层规定了节点的全部电气特性
6、。CAN的通讯协议由CAN通讯控制器完成。CAN通讯控制器由实现CAN总线协议的局部和跟微控制器接口局部的电路组成。2.2FF的通讯参考模型FF数据通讯与控制网络技术是由现场总线基金会FFfieldbusfoundation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标准子层，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，物理层规定了信号怎样发送;数据链路层规定怎样在设备间分享网络和调度通讯;应用层规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及恳求应
7、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、设备描绘，实现网络治理、系统治理等。模型如图3中FF局部所示。2.3PROFIBUS的通讯参考模型PROFIBUS是ProcessFieldbus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。6PROFIBUS-DP：经过优化的高速、廉价的通讯连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通讯设计，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讯任务，提供大量的通讯效劳，完成中
8、等传输速度的循环和非循环通讯任务，用于一般自动化控制。PROFIBUS-PA：专为经过自动化设计，标准的本质平安的传输技术，用于对平安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37层，而增加了直接数据连接拟合，作为用户接口;FMS型那么只隐去了第36层，采用了应用层。详细模型如图1中PROFIBUS局部所示。PA型的标准目前还处于制定经过中，与FF通讯技术的低速网段局部标准相兼容。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讯
9、，每个主站均可向从站发送或者索取信息，通过这种方法有可能实现以下系统配置：纯主从系统;纯主主系统带令牌传递;混合系统。2.4LonWorks通讯协议LonTalkLonWorks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构造。它支持各种通讯介质，该控制网络的核心局部LonTalk通讯协议已经固化在神经元芯片之中。LonWorks被誉为通用控制网络,正是由于它的通讯协议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的七层协议比拟如图1。LonTalk协议在物
10、理层协议中支持多种通讯协议，以适应不同的通讯介质需要;它的MAC子层是链路层的一局部，它使用OSI各层协议的标准接口和链路层的其它局部进展通讯;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才能;网络层提供应用户一个简单的通讯接口，定义了怎样接收、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;会话层提供恳求响应机制，通过节点的连接来进展远程数据效劳;表示层和应用层提供网络变量、显示报文、网络治理、网络跟踪、外来帧传输的效劳。3.几种系统的特点及适用性3.1CAN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
11、开场就是专为解决当代汽车中诸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讯技术。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讯控制器的芯片内。因此可以讲它并不是一项完好的控制网络技术，也缺乏以构成一个企业的控制网络，比拟适宜于作为控制网络的节点通讯芯片的通讯标准。3.2FF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，也使各种网络通讯围绕完成各种自动化任务进展。这种网络控制系统十分合适于经过自动化消费，它既可以完玉成分布式自动化系统的主要功能即对工业消费经过的各个参数进展测量、信号变送
12、、控制、显示、计算等，而它所具有的网络通讯才能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、各局部的功能集成而共同完成的，更有效、方便地实现消费经过地平安、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。它的另一大上风是现场设备开发中的设备描绘DD技术，这使得它拥有较好的可互操纵性，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者参数。但FF通讯技术设立了低速、高速两局部网段，即H1和HSE，在现场治理级，也即现场总线局部使用的是低速总线H1的标准，通讯速率为31.25Kbps，这对于需要高速数据传输的分散设备之间的通讯就略显局促。3.3FROFIBU
13、S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讯。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者当主站发出恳求时向它发送信息。FROFIBUS系统是比拟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经过控制以致最上层的工厂治理级的控制，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，因此比拟适宜于规模较大，经济和技术实力都较强劲的企业。3.4LonWorks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
14、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效劳。它的另一大特色是它的互操纵性。不同消费厂商的器件之间实现了相互操纵、相互替换。在LonWorks应用系统构造中，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讯构造。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者运营商主持的企业数据库。还能通过LNS控制网络操纵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网络控制系统比拟适用于那些地域分布很广而又需要上层集中治理的企业类型，比方电
15、力系统的变电站、大厦物业治理、便利超市的统一治理等。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，以便更明晰地展现这两种网络的构造和特点。选择这两种网络构造的原因正如前所讲CAN并不是一个完好的网络控制系统而PROFIBUS系统的构造又过于复杂，而且PROFIBUS-PA的标准目前与IEC1158-2H1标准，即FF通讯技术的低速网段局部标准相兼容。所以选取FF和LonWorks网络系统更具有典型性。4.1FF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
16、算机主要用来监视操纵、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。align=center图2FF网络系统构成图Fig.2TheconstituteofFFsystem/align4.2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客户效劳器构架来实现小区的抄表、数据统计和网络治理功能。以便完成开发商对于三表收费系统的较高要求即：完成三表操纵并且将收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;现场节点能不依靠于上位机独立分时统计。图3为整个工程构造图。前端为现场控制机柜，每个机柜插一
17、块或者数块LonWorks控制模块，负责一个单元或者几户的水表和电表检测。上位机采用客户效劳器构造，数据库治理机作为网络效劳器，治理网络数据库，同时处理收费系统的数据库。网络治理机是一台便携机，作为客户机，在系统出现问题时通过网络效劳器上的分享网络数据库进展网络安装和维护。本系统可以连接多台客户作为网络治理，甚至通过internet对网络进展治理维护。align=center图3.LonWorks网络在小区抄表自动化中的应用Fig.3LonWorksapplicationinautomaticcollectingofchargesofwaterandelectricityofsmallresi
18、dentialdistrict/align5.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开展中出现的很多问题，进一步进步了企业的消费效率，开展了消费力。几种比拟成熟的网络控制系统技术由于其在通讯技术和硬件组成上的很多不同而彰现出各自的特点，企业应该在理解自己的消费状况和经济实力的根底上，根据自己的特点选择较合适自己的控制系统。本文通过比拟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，希望对局部企业的技术革新带来帮助，并能为我国的改革和当代化建立奉献出微薄的气力。参考文献:1阳宪惠.工业数据通讯与控制网络M.北京:清华大学出版社,2003.
19、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,2004.335:584-5893张云生.网络控制系统M.重庆:重庆大学出版社,2003.6.4Feng-LiLian,JamesMoyne,DawnTilbury.NetworkDesignConsiderationforDistributedControlSystemsJ.IEEETransactiononControlSystemsTechnology,2002,3,102:297-307.5白涛,吴智明,杨根科.网络化的控制系统J.控制理论与应用,2004,214:584-589.6甘永梅.现场总线技术及其应用M.北京:机械工业出版社,2004.