網路化控制系統

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網路化控制系統（Networked Control System, NCS）

　　網路化控制系統通常的定義是通過一個實時網路構成閉環的控制系統，具體而言是指在某個區域內一些現場檢測、控制及操作設備和通信線路的集合，用以提供設備之間的數據傳輸，使該區域內不同地點的用戶實現資源共用和協調操作。網路化控制系統的概念起始於上世紀8O年代，以Ray等的論文為代表。進入2l世紀以來，網路技術與通信技術的發展使得實際的網路化控制系統得到越來越多的重視，獲得了巨大發展。

　　NCS是控制技術，電腦技術和網路通信技術等共同發展的結晶。伴隨著這些相關技術的不斷突破和世界信息化浪潮，NCS也在不斷的向前發展，不斷的進行技術革新。若想給NCS一個具體的定義是很困難的，但可以從各種NCS的結構形式中提取到它們的共同特點，從而展現NCS的基本概貌。

　　1、控制系統的網路化

　　這是NCS的根本特點，正是由於控制網路的引入，將原來分散在不同地點的現場設備連接成網路，才打破了自動化系統原有的信息孤島的僵局，為工業數據的集中管理與遠程傳送，為控制系統和其他信息系統的連接與溝通創造了條件。

　　2、信息傳輸的數字化

　　數字化與網路化相輔相成，如果網路化是從系統角度描述NCS的特點，那麼數字化則是從信息的角度描述NCS。數字信號的抗干擾能力強，傳輸精度高，傳輸的信息更加豐富，同時數字化進程也大大的減少了控制系統佈線的複雜性。

　　3、控制結構的層次化

　　控制系統的分層結構是引入控制網路後的另一個主要特點。在NCS中，對現場層的迴路控制和順序控制、對系統實時監視、參數調試等任務分別由處在不同層次的不同電腦完成(比如在DCS中，現場控制層的現場控制站負責底層的迴路控制和順序控制，過程管理層的操作員站負責對系統的趨勢顯示，實時監視，工程師站負責完成迴路的組態、調試、下載等)，每台電腦各司其職，控制層次與控制任務得到了細分。

　　4、底層控制的分散化與信息管理的集中化

　　這一特點是控制結構層次化的延伸。分層結構確定了NCS金字塔型的整體框架，在底層NCS利用現場控制設備實現了分散式控制，增強了控制系統的可靠性，在高層實現了對底層數據的集中監視、管理，為上層的協調優化，甚至對巨集觀決策提供必要的信息支持。

　　5、硬體和軟體模塊化

　　各種NCS的軟硬體目前都採用了模塊化結構，硬體的模塊化使得系統具有良好的靈活性和可擴展性，使得系統的成本更低、體積更小、可靠性更高，軟體的模塊化使得系統的組態方便、控制靈活、調試效率高、操作簡單。

　　6、控制系統的智能化

　　該智能化包含兩個方面的內容：現場設備的智能化和控制演算法與優化演算法的智能化。一方面，在底層由於微處理器的引入，現場設備不僅能夠完成感測測量、迴路控制等基本功能，還可以進行補償計算、故障診斷等；另一方面，在高層NCS提供了強大的電腦硬體平臺，為先進的控制演算法、人工智慧方法、專家系統的使用提供了條件，一些先進的控制演算法軟體包(如模型預測控制、模型控制等)已經被開發並廣泛使用，人工智慧、專家系統也開始用於操作指導、優化計算、計劃調度、科學管理等各個方面。

　　7、通信協議的漸近標準化

　　通信協議的標準化意味著系統具有良好的開放性、互操作性。在互聯網中，TCP/IP已經成為標準協議；而在控制網路中，傳統的DCS系統各成體系，FCS儘管已經達成了國際匯流排標準，但匯流排種類仍有10餘種，甚至於工業乙太網也出現了多種不同的國際標準協議，因此通信協議標準的統一必將是一個漫長的過程。

　　控制技術、電腦技術和網路通信技術是NCS產生和發展的技術基礎和重要動力，是決定NCS從無到有不斷變革、創新的關鍵因素。NCS正是通過不斷吸取相關技術的最新成果，直接推動NCS從DCS控制系統、FCS控制系統、工業乙太網控制系統、基於Web及Internet的遠程式控制制系統的發展。

　　1、綜合利用網路通信技術形成的數據高速通路(DataHighway,DHW)是網路化控制系統的一項核心技術突破，DHW又進一步推動了操作員站、工程師站和控制器等出現分化。

　　2、隨著分散式軟體技術的發展以及網路通信技術的推動，軟體由DDC的集中監視軟體體繫結構逐漸分化為現場控制軟體、操作員軟體、工程師軟體，出現了工程師組態、下裝、線上網路調試的技術方法，出現了專門負責通信的軟體功能模塊。

　　3、網路化控制系統的另一項核心技術突破是引入了區域網技術，按照網路節點的概念組織過程式控制制站、中央控制站、系統管理站及網關，並遵循開放的系統參考模型(OpenSystemInterconnectReferenceModel,OSI)7層通信協議，符合國際標準。

　　4、針對不同的功能設置了多個專用的功能節點，如為瞭解決大數據量的全局資料庫的實時數據處理、存儲和數據請求服務，設置了伺服器；為了處理大量的報表和歷史數據，設置了專門的歷史站等。出現了網路實時資料庫與相應的網路通信軟體，實現與其他節點的信息和運行協調。

　　5、控制系統最底層的現場控制器和現場智能儀錶互連採用實時控制通信網路，它遵循ISO/OSI開放系統互連參考模型的全部或部分通信協議(層)以及現場匯流排系統形式，即信息傳輸的數字化、控制結構的分散化、現場設備之間的互操作化、技術和標準的全開放化。

　　6、在網路方面，各個廠家以普遍採用了標準的網路產品，工業控制網路逐漸開始採用新型工業乙太網，物理層和數據鏈路層採用了乙太網和在乙太網之上的TCP/IP協議，按照工業控制的要求，開發了適當的應用層協議，使乙太網和TCP/IP技術延伸至現場層。

　　7、Internet技術的使用和迅速發展，使得企業網——現場匯流排的兩級結構越來越受到Web(環球網)技術的衝擊,出現了基於Internet和基於Web的遠程實時監控系統.運用嵌入式Internet技術,將乙太網介面、TCP/IP協議等直接內嵌在現場設備中，從而產生了基於TCP/IP協議的網路化智能現場儀錶(或稱其為IP感測器/執行器)。這種面向網路的IP感測器/執行器，將感測、信號處理、控制功能、乙太網介面、TCP/IP協議、實時操作系統(Real-TimeOperationSystem,RTOS)以及小型WebServer等軟、硬體全部封裝在一起，使現場設備成為名副其實的簡約Web伺服器，在Internet上通過IE瀏覽器就可以直接對其進行組態和維護管理。

　　8、組建對象模型/分散式組建對象模型/多媒體對象技術(COM/DCOM/ActiveX)、動態數據通信技術(DynamicDataExchange,DDE)、面向過程式控制制的對象連接與嵌入技術(OLEforProcessControl,OPC)，實時資料庫技術、動態圖形顯示技術、Internet/Intranet技術、平臺服務技術等直接推動網路化控制系統的相關軟體技術得到進一步的豐富和擴展，功能逐漸增強；形成了諸多應用模塊的應用軟體系統。另外由於控制網路與信息網路的集成技術發展，網路化控制系統的軟體進一步層次化，出現了直接控制層軟體、監督控制層軟體和高層管理軟體。不同層次結構的軟體和硬體一起完成對工業生產過程實現檢測、控制、優化、調度、管理和決策。

　　9、工業乙太網、CDMA(碼分多址)、GPRS(通用分組無線業務)、無線區域網、無線廣域網等控制網路的技術不斷被採用，使得NCS不斷得到豐富和發展。

　　從總的趨勢來看，NCS在相關IT技術的推動下，正在向更高層次邁進，形成一個以相關硬、軟體技術及網路技術支撐下的管理與控制一體化的綜合自動化信息系統。

　　NCS具有大系統的共性特征：

　　(1)、規模龐大。NCS中包含的子系統(小系統)、部件、元件甚多。通常，其占有的空間大，經歷的時間長，涉及的範圍廣，具有分散性。

　　(2)、結構複雜。NCS中各子系統、部件、元件之間的相互關係複雜。通常，NCS中不僅包含有物，還包含有人，具有“人-物”、“人-人”、“物-物”之間的多種複雜關係，是主動系統。

　　(3)、功能綜合。通常，NCS的目標是多樣的(技術的、經濟的，生態的，?，是多目標函數)，因而其功能必是多方面的(質量控制、經濟管理、環境保護、?，)、綜合性的。

　　(4)、因素眾多。NCS是多變數、多輸入、多輸出、多目標、多參數、多干擾的系統。有物的因素，有人的因素，有技術因素，有經濟因素，有社會因素等等，具有不確定性、不確知性。

　　通信網路引入控制系統會使系統的分析和綜合變得很複雜，網路化控制系統的複雜性由通信網路自身的特點決定，主要表現在：

　　(一)網路誘導時滯問題

　　將通信網路引入控制系統，連接智能現場設備和自動化系統，實現了現場設備的分佈化和網路化，同時也加強了現場控制和上層管理的聯繫。但與此同時，由於網路的加入使得信息在傳輸過程中不可避免地存在著延遲。例如，網路協議下，數據包擁塞等待、網路空閑檢測、長距離傳輸等。

　　時延是網路化控制系統研究的主要問題之一，數據在傳輸線路上必然存在著傳輸時延，數據在接受處理是必然存在著處理時延，傳輸時延和處理時延共同構成了網路時延。網路時延受到網路拓撲結構、網路所採用的通信協議、路由演算法、負載情況、傳輸速率等諸多因素的影響，呈現出固定或隨機，有界或無界的特征。

　　(二)數據包丟失

　　數據包丟失是網路的引入所帶來的又一問題。由於通信通道的不確定性，數據包在傳輸過程中可能出現錯誤甚至丟失，這樣，接收節點(控制器或執行器)就會丟棄錯誤數據或使用之前接收到的數據。如果某一時刻採樣獲得的數據包在其後採樣的數據之後到達接收器，這種數據包也會被丟棄。另外，數據傳輸中大於某個特定長度的時滯也可以被視為數據丟失進行處理。從系統信息的傳輸來看，數據包丟失的發生相當於信息傳輸通道暫時被斷開，使得系統的結構和參數發生較大的變化。

　　(三)多包傳輸問題

　　以數據包形式傳輸的信息是網路化控制系統有別於傳統控制系統的特點。多包傳輸是進行網路化系統的分析和設計時經常遇到的另一個重要問題。多包傳輸的一個主要原因是由於網路帶寬的限制，數據包容量有限以至於無法包含一個時刻的全部採樣數據，這必須通過多個數據包進行先後傳輸。多包傳輸的另一個原因是網路化系統的感測器和控制器一般會分佈在一個較大的物理空間中，這樣，就不可能把同一時間的所有數據利用同一個數據包進行傳輸。

　　(四)通信約束問題

　　信號在數字系統中傳輸必然經過量化過程，傳統的系統設計方法是把量化帶來的影響建模成外部白雜訊擾動(均勻分佈)，在忽略量化現象的條件下設計控制器，如果設計出來的控制器無法滿足要求，調節諸如採樣頻率等參數進行再設計。在網路化系統中，通信通道為數字通道，信息在網路中傳輸必然會受到比特率限制，傳輸之前要量化到一個有限集合中。為了儘量降低網路帶寬，網路化系統中的量化精度可能較低，以至於量化誤差用白雜訊近似不再合適，如何嚴格地分析量化現象造成的影響，如何在特定量化規則下對網路化系統進行分析和設計是亟待解決的問題。網路化控制系統中的量化問題正在得到越來越多的學者的關註。此外，採樣速率約束、通信速率約束、編碼位數約束等問題也是網路化控制系統中所必須考慮的通信約束問題。