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控制网络与系统集成课程论文

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

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

ResearchandDevelopmentOnControlNetworkSystem

LiuShuqing

Abstract：

Astheapplicationsoflargescale，complexanddistributedcontrolcontinuetogrowinbothdailylifeandsocialproduction，computerandnetworkcommunicationtechnologiesarewidelyusedinthedomainofautomaticcontrol．Mergingofcontrol，computerandnetworktechnologiespromotesthebirthanddevelopmentofcontrolnetworksystem（CNS），whichconsistsofabrandnewcontrolpattern.ControlnetworktechnologyhascausedprofoundchangesincontrolareaandCNSisduetobethemainstreamoffutureautomaticcontrolsystems.Onthisbackground，weintroducesthedefinitionofcontrolnetworkandCNS．Discussingtheircharacteristicsandadvantages．Onthebasisofanalyzingthedevelopmentofnetworkcontrolsystems,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

在传统集中或集散控制系统中，一个回路或一个控制点就需要一根馈线，系统成本很高。

控制网络系统大多是总线拓扑网络结构，通过一条通讯线连接所有节点，极大地节省了系统成本；通过将相应的控制功能分别交给不同的网络节点，使得系统体积也大为减少。

5）可以作为实现各种复杂分布式或优化控制算法的应用平台

当前控制理论尤其是分布式控制理论正处于快速发展阶段，计算机科学领域分布式计算和分布式人工智能方面的研究成果也不断应用到控制领域中。

控制网络系统以其内在的分布式体系结构，成为各种复杂分布式或优化控制算法的理想实验平台。

它不仅可以在理论上检验这些算法的正确性，还可以在实际环境中测试其实用性。

6）对于系统开发者和用户而言，它都打破了技术垄断

控制网络协议的开放性决定了它必将打破现阶段各大控制设备生产商对技术的垄断。

用户可以具有更大自由度，能够选择不同厂家的控制产品，各系统之间互连和互操作不再是限制因素。

对于控制系统中小开发商而言，控制网络系统也提供了打破各大控制设备生产商对市场垄断的技术条件；只要产品具有特点和创新性，大家可以在同一基础上竞争。

这对于国内各控制系统开发厂家而言，无疑是一次提升技术含量和竞争力的良好机遇。

2控制网络系统的发展及各阶段发展特点

20世纪60年代计算机开始运用于工业控制，产生了直接数字控制系统（DDC）。

由于当时计算机技术不发达且价格昂贵，用一台计算机取代几乎所有控制室仪表，实现过程控制的全部功能，但同时也带来了危险集中的脆弱性问题，即一旦计算机出现故障，就会造成整个控制系统的瘫痪。

20世纪70年代中期，集散控制系统（DCS）运用于工业控制系统，这标志着控制网络系统的产生。

控制网络系统的发展经历了三个阶段。

2．1集散控制系统（DCS）

随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展，工业控制系统不断发生变革。

与此同时，作为控制系统的重要组成部分——工业通信网络，也不断地向前发展。

自20世纪60年代开始，控制室和现场仪表之间采用电气信号传输．电动组合仪表如控制器、显示仪表、记录仪也开始大量使用，工厂自动化控制体系初步形成。

20世纪70年代中期出现的集散控制系统（DCS），第一次引入了计算机网络技术的控制系统中，帝来了控制系统的一系列变革。

可以说，DCS的出现，开创了“网络控制系统”的先河，推动着自动化控制领域的发展方向。

集散控制系统的系统结构特点为“操作站．现场控制站．FO及信号变换器”等三级分级递阶结构，是一种分布式控制系统。

系统中不再只是具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表、智能部件组成。

这种用于控制系统的网络与普通的局域网不同，普通局域网强调的是提高信道的利用率，而控制网络强调的是可靠性、安全性、实时性和广泛的实用性。

DCS存在着自身无法克服的问题。

首先是信息传递落后，目前从现场一次仪表到DCS和从DCS到现场的信号大都沿用DDZIII型仪表的信号规格，4-20mADC或I～5VDC，采用点到点的传输方式，信号传输精度低，抗干扰和纠错能力差，难以发挥现场仪表的特长；另外，分散程度不够，每台DCS的现场控制单元一般都要处理几十个控制回路，并由此而带来实时性的问题，很难实现紧急停车时要求的ms级的反应速度；再者，DCS的成本较高，其网络通信体系结构大多采用封闭式和本公司专用的标准和协议，加之受到现场仪表在数字化、智能化方面的限制，它没能将控制功能“彻底地”分散到现场。

DCS被称为自动控制领域的又一次革命，成为当时解决过程控制自动化最成功的系统，直到今天，DCS仍有其一席之地。

2．2现场总线

计算机与电子技术的发展及当今对自动化控制系统数字化、智能化、网络化（或分散化）的要求，产生了以现场总线技术为核心的现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem），FCS是继DCS之后又一种全新的控制体系发展，FCS废除了DCS系统结构中的现场控制站、输入输出单元（I／0）和信号转换器，将现场控制站中的控制功能下移到网络的现场智能设备中，从而构成虚拟控制站，通过现场仪表就可构成控制回路，故实现了彻底的分散控制。

它不仅仅是从“分散控制”发展到“现场控制”并实现了智能下移、数据传输从“点到点”发展到采用“总线”方式，而是用大系统的概念来看待整个过程控制系统：

即整个控制系统可看作是一台巨大的“计算机”按总线方式运行，故资源共享是FCS的主要发展空间。

FCS从以下几个方面发展了DCS：

互操作性、网络化、体系结构趋于扁平化，提高了系统的可靠性、自律性和灵活性。

现场总线的概念是随着微电子技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能后，于1984年左右提出的。

根据国际电工委员会IECll58标准定义（后改IEC61158），现场总线是“安装在生产过程区域地现场设备，仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间一种串行、数字式、多点通信的数据总线”。

或者说，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

其中，“生产过程”应包括断续生产过程和连续生产过程两类。

现场设备、仪表指位于现场的传感器、驱动器、执行机构等设备。

因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术。

现场总线类型主要有：

FieldBusFoundation、Profibus、ControlNet、P-NET、FFHSE、SwiftNet、WorldFIP、InterBus、CAN等。

这些总线各有各的规范，互不兼容。

基于现场总线的自动化系统称为现场总线系统FCS（FieldBuscontrolsystem），其主要特征为：

1）数字式通信方式取代设备级的模拟量（如4～20mA，O～5V等信号）和开关量信号；

2）在车间级与设备级通信的数字化网络；

3）现场总线是工厂自动化过程中现场级通信的～次数字化革命；

4）现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层。

使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场；

5）在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。

现场总线是工业控制系统的新型通信标准，是基于现场总线的低成本自动化系统技术。

现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。

采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。

现场总线控制系统有如下优点：

1）全数字化。

将企业管理与生产自动化有机结合一直是工业界梦寐以求的，但只有在FCS出现以后才有可能高效、低成本地出现。

在采用FCS的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线网络紧密衔接。

此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性；

2）全分布。

在FCS中，各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，实现真正的分布式控制，而不再需要一个中央控制计算机；

3）双向传输。

对于传统的4～20mA电流信号，一条线只能传递一路信号。

现场总线设备在一条线上则既可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息；

4）自诊断。

现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到中央控制室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的传统仪表中是做不到的；

5）节省布线及控制室空间。

传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室，在中央控制室装备一个大配线架。

而在FCS系统中多台现场设备可串行连接在一条总线上，只需较少的线进入中央控制室，这样就大量节省了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价；

6）多功能仪表。

数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，甚至集检测、运算、控制于一体的变送控制器；

7）开放性。

1999年底现场总线协议已被IEC批准正式成为国际标准，从而使现场总线成为一种开放技术；

8）互操作性。

现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品，集成在一起，避免了传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制，促进有效的竞争，降低控制系统的成本；

9）智能化与自治性。

现场总线设备具有很高的智能。

能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，甚至能在部件、网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性；

10）容错能力。

现场总线控制系统通常由以下部分组成：

现场总线仪表、控制器；现场总线线路：

监控、组态计算机。

．这里的仪表、控制器、计算机一般可根据需要通过冗余现场总线网卡、通信协议软件连接到网上。

因此，具有较强的容错能力；

现场总线的产生是自动化仪表发展的必然趋势，同时也是企业综合自动化发展的需要。

现场总线既是通信网络，又是自控系统。

它作为通信网络，不同于日常用于声音、图象、文字传输的网络，它所传输的是开关量信号与数据，直接关系到处于运行操作过程之中的设备、人身的安全，要求信号在粉尘、噪声、电磁干扰等较为恶劣的环境下能够准确、及时到位，同时还具有节点分散、报文简短等特征。

它作为自动化系统，在系统结构上发生了较大变化，其显著特征是通过网络信号的传输联络，可由单个节点，也可由多个网络节点共同完成所要求的自动化功能，是一种由网络集成的自动化系统。

现场总线本质上也是一种控制网络，因此网络技术是现场中显得重要基础。

由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化的发展方向，它一产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。

现场总线就是工厂自动化领域的开放互连系统，但不同的现场总线标准，是这些不同总线标准设备之间的互连遭遇障碍。

现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准。

而IEC（国际电工委员会）历时十二年于2000年1月4目公布通过的IEC61158现场总线标准容纳了8种互不兼容的协议!

多种互不相容的现场总线并存己成定局。

因此现场总线没有真正实现工厂自动化领域的开放互连。

2．3工业以太网

低速现场总线发展较快，高速现场总线目前进展也卓有成效。

高速现场总线主要应用于控制网内的互联，以及连接控制计算机、PLC等智能化程度高，处理速度快的设备。

以及实现低速现场总线网桥间的连接。

由于以太网是计算机应用最广泛的网络技术，若以以太网作为高速现场总线框架的主体，可以使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很好地融合起来，形成现场总线技术和计算机网络技术相互促进的局面。

工业以太网技术上与商用以太网兼容，但在实时性、可靠性、环境的适应性等方面能满足工业现场的需要，是一种工业通信网络。

以太网技术和应用的发展，使其从办公自动化走向工业自动化。

首先是通信速率的提高，以太网从10Mbps、100Mbps到现在的1Gbps、10Gbps，速率提高意味着网络负荷减轻和传输延时减少，网络碰撞概率下降：

其次采用双工星形网络拓扑结构和以太网交换技术，使以太网交换机的各端口之间数据帧的输入和输出不再受CSMA／CD机制的制约，避免了冲突；再加上全双工通信方式使端