网络化控制系统

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网络化控制系统（Networked Control System, NCS）

　　网络化控制系统通常的定义是通过一个实时网络构成闭环的控制系统，具体而言是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作。网络化控制系统的概念起始于上世纪8O年代，以Ray等的论文为代表。进入2l世纪以来，网络技术与通信技术的发展使得实际的网络化控制系统得到越来越多的重视，获得了巨大发展。

　　NCS是控制技术，计算机技术和网络通信技术等共同发展的结晶。伴随着这些相关技术的不断突破和世界信息化浪潮，NCS也在不断的向前发展，不断的进行技术革新。若想给NCS一个具体的定义是很困难的，但可以从各种NCS的结构形式中提取到它们的共同特点，从而展现NCS的基本概貌。

　　1、控制系统的网络化

　　这是NCS的根本特点，正是由于控制网络的引入，将原来分散在不同地点的现场设备连接成网络，才打破了自动化系统原有的信息孤岛的僵局，为工业数据的集中管理与远程传送，为控制系统和其他信息系统的连接与沟通创造了条件。

　　2、信息传输的数字化

　　数字化与网络化相辅相成，如果网络化是从系统角度描述NCS的特点，那么数字化则是从信息的角度描述NCS。数字信号的抗干扰能力强，传输精度高，传输的信息更加丰富，同时数字化进程也大大的减少了控制系统布线的复杂性。

　　3、控制结构的层次化

　　控制系统的分层结构是引入控制网络后的另一个主要特点。在NCS中，对现场层的回路控制和顺序控制、对系统实时监视、参数调试等任务分别由处在不同层次的不同计算机完成(比如在DCS中，现场控制层的现场控制站负责底层的回路控制和顺序控制，过程管理层的操作员站负责对系统的趋势显示，实时监视，工程师站负责完成回路的组态、调试、下载等)，每台计算机各司其职，控制层次与控制任务得到了细分。

　　4、底层控制的分散化与信息管理的集中化

　　这一特点是控制结构层次化的延伸。分层结构确定了NCS金字塔型的整体框架，在底层NCS利用现场控制设备实现了分布式控制，增强了控制系统的可靠性，在高层实现了对底层数据的集中监视、管理，为上层的协调优化，甚至对宏观决策提供必要的信息支持。

　　5、硬件和软件模块化

　　各种NCS的软硬件目前都采用了模块化结构，硬件的模块化使得系统具有良好的灵活性和可扩展性，使得系统的成本更低、体积更小、可靠性更高，软件的模块化使得系统的组态方便、控制灵活、调试效率高、操作简单。

　　6、控制系统的智能化

　　该智能化包含两个方面的内容：现场设备的智能化和控制算法与优化算法的智能化。一方面，在底层由于微处理器的引入，现场设备不仅能够完成传感测量、回路控制等基本功能，还可以进行补偿计算、故障诊断等；另一方面，在高层NCS提供了强大的计算机硬件平台，为先进的控制算法、人工智能方法、专家系统的使用提供了条件，一些先进的控制算法软件包(如模型预测控制、模型控制等)已经被开发并广泛使用，人工智能、专家系统也开始用于操作指导、优化计算、计划调度、科学管理等各个方面。

　　7、通信协议的渐近标准化

　　通信协议的标准化意味着系统具有良好的开放性、互操作性。在互联网中，TCP/IP已经成为标准协议；而在控制网络中，传统的DCS系统各成体系，FCS尽管已经达成了国际总线标准，但总线种类仍有10余种，甚至于工业以太网也出现了多种不同的国际标准协议，因此通信协议标准的统一必将是一个漫长的过程。

　　控制技术、计算机技术和网络通信技术是NCS产生和发展的技术基础和重要动力，是决定NCS从无到有不断变革、创新的关键因素。NCS正是通过不断吸取相关技术的最新成果，直接推动NCS从DCS控制系统、FCS控制系统、工业以太网控制系统、基于Web及Internet的远程控制系统的发展。

　　1、综合利用网络通信技术形成的数据高速通路(DataHighway,DHW)是网络化控制系统的一项核心技术突破，DHW又进一步推动了操作员站、工程师站和控制器等出现分化。

　　2、随着分布式软件技术的发展以及网络通信技术的推动，软件由DDC的集中监视软件体系结构逐渐分化为现场控制软件、操作员软件、工程师软件，出现了工程师组态、下装、在线网络调试的技术方法，出现了专门负责通信的软件功能模块。

　　3、网络化控制系统的另一项核心技术突破是引入了局域网技术，按照网络节点的概念组织过程控制站、中央控制站、系统管理站及网关，并遵循开放的系统参考模型(OpenSystemInterconnectReferenceModel,OSI)7层通信协议，符合国际标准。

　　4、针对不同的功能设置了多个专用的功能节点，如为了解决大数据量的全局数据库的实时数据处理、存储和数据请求服务，设置了服务器；为了处理大量的报表和历史数据，设置了专门的历史站等。出现了网络实时数据库与相应的网络通信软件，实现与其他节点的信息和运行协调。

　　5、控制系统最底层的现场控制器和现场智能仪表互连采用实时控制通信网络，它遵循ISO/OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通信协议(层)以及现场总线系统形式，即信息传输的数字化、控制结构的分散化、现场设备之间的互操作化、技术和标准的全开放化。

　　6、在网络方面，各个厂家以普遍采用了标准的网络产品，工业控制网络逐渐开始采用新型工业以太网，物理层和数据链路层采用了以太网和在以太网之上的TCP/IP协议，按照工业控制的要求，开发了适当的应用层协议，使以太网和TCP/IP技术延伸至现场层。

　　7、Internet技术的使用和迅速发展，使得企业网——现场总线的两级结构越来越受到Web(环球网)技术的冲击,出现了基于Internet和基于Web的远程实时监控系统.运用嵌入式Internet技术,将以太网接口、TCP/IP协议等直接内嵌在现场设备中，从而产生了基于TCP/IP协议的网络化智能现场仪表(或称其为IP传感器/执行器)。这种面向网络的IP传感器/执行器，将传感、信号处理、控制功能、以太网接口、TCP/IP协议、实时操作系统(Real-TimeOperationSystem,RTOS)以及小型WebServer等软、硬件全部封装在一起，使现场设备成为名副其实的简约Web服务器，在Internet上通过IE浏览器就可以直接对其进行组态和维护管理。

　　8、组建对象模型/分布式组建对象模型/多媒体对象技术(COM/DCOM/ActiveX)、动态数据通信技术(DynamicDataExchange,DDE)、面向过程控制的对象连接与嵌入技术(OLEforProcessControl,OPC)，实时数据库技术、动态图形显示技术、Internet/Intranet技术、平台服务技术等直接推动网络化控制系统的相关软件技术得到进一步的丰富和扩展，功能逐渐增强；形成了诸多应用模块的应用软件系统。另外由于控制网络与信息网络的集成技术发展，网络化控制系统的软件进一步层次化，出现了直接控制层软件、监督控制层软件和高层管理软件。不同层次结构的软件和硬件一起完成对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策。

　　9、工业以太网、CDMA(码分多址)、GPRS(通用分组无线业务)、无线局域网、无线广域网等控制网络的技术不断被采用，使得NCS不断得到丰富和发展。

　　从总的趋势来看，NCS在相关IT技术的推动下，正在向更高层次迈进，形成一个以相关硬、软件技术及网络技术支撑下的管理与控制一体化的综合自动化信息系统。

　　NCS具有大系统的共性特征：

　　(1)、规模庞大。NCS中包含的子系统(小系统)、部件、元件甚多。通常，其占有的空间大，经历的时间长，涉及的范围广，具有分散性。

　　(2)、结构复杂。NCS中各子系统、部件、元件之间的相互关系复杂。通常，NCS中不仅包含有物，还包含有人，具有“人-物”、“人-人”、“物-物”之间的多种复杂关系，是主动系统。

　　(3)、功能综合。通常，NCS的目标是多样的(技术的、经济的，生态的，?，是多目标函数)，因而其功能必是多方面的(质量控制、经济管理、环境保护、?，)、综合性的。

　　(4)、因素众多。NCS是多变量、多输入、多输出、多目标、多参数、多干扰的系统。有物的因素，有人的因素，有技术因素，有经济因素，有社会因素等等，具有不确定性、不确知性。

　　通信网络引入控制系统会使系统的分析和综合变得很复杂，网络化控制系统的复杂性由通信网络自身的特点决定，主要表现在：

　　(一)网络诱导时滞问题

　　将通信网络引入控制系统，连接智能现场设备和自动化系统，实现了现场设备的分布化和网络化，同时也加强了现场控制和上层管理的联系。但与此同时，由于网络的加入使得信息在传输过程中不可避免地存在着延迟。例如，网络协议下，数据包拥塞等待、网络空闲检测、长距离传输等。

　　时延是网络化控制系统研究的主要问题之一，数据在传输线路上必然存在着传输时延，数据在接受处理是必然存在着处理时延，传输时延和处理时延共同构成了网络时延。网络时延受到网络拓扑结构、网络所采用的通信协议、路由算法、负载情况、传输速率等诸多因素的影响，呈现出固定或随机，有界或无界的特征。

　　(二)数据包丢失

　　数据包丢失是网络的引入所带来的又一问题。由于通信信道的不确定性，数据包在传输过程中可能出现错误甚至丢失，这样，接收节点(控制器或执行器)就会丢弃错误数据或使用之前接收到的数据。如果某一时刻采样获得的数据包在其后采样的数据之后到达接收器，这种数据包也会被丢弃。另外，数据传输中大于某个特定长度的时滞也可以被视为数据丢失进行处理。从系统信息的传输来看，数据包丢失的发生相当于信息传输通道暂时被断开，使得系统的结构和参数发生较大的变化。

　　(三)多包传输问题

　　以数据包形式传输的信息是网络化控制系统有别于传统控制系统的特点。多包传输是进行网络化系统的分析和设计时经常遇到的另一个重要问题。多包传输的一个主要原因是由于网络带宽的限制，数据包容量有限以至于无法包含一个时刻的全部采样数据，这必须通过多个数据包进行先后传输。多包传输的另一个原因是网络化系统的传感器和控制器一般会分布在一个较大的物理空间中，这样，就不可能把同一时间的所有数据利用同一个数据包进行传输。

　　(四)通信约束问题

　　信号在数字系统中传输必然经过量化过程，传统的系统设计方法是把量化带来的影响建模成外部白噪声扰动(均匀分布)，在忽略量化现象的条件下设计控制器，如果设计出来的控制器无法满足要求，调节诸如采样频率等参数进行再设计。在网络化系统中，通信信道为数字信道，信息在网络中传输必然会受到比特率限制，传输之前要量化到一个有限集合中。为了尽量降低网络带宽，网络化系统中的量化精度可能较低，以至于量化误差用白噪声近似不再合适，如何严格地分析量化现象造成的影响，如何在特定量化规则下对网络化系统进行分析和设计是亟待解决的问题。网络化控制系统中的量化问题正在得到越来越多的学者的关注。此外，采样速率约束、通信速率约束、编码位数约束等问题也是网络化控制系统中所必须考虑的通信约束问题。