幾種網(wǎng)絡(luò )控制系統的比較及典型應用

1. 引言

　　網(wǎng)絡(luò )控制系統（NCSs）是近年來(lái)發(fā)展形成的自動(dòng)控制領(lǐng)域的新技術(shù)，是計算機網(wǎng)絡(luò )、通信與自動(dòng)控制技術(shù)結合的產(chǎn)物[1]。隨著(zhù)自動(dòng)控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)的信息集成系統正在不斷壯大，而網(wǎng)絡(luò )化控制是復雜控制系統和遠程控制系統的客觀(guān)需求。[2]

　　在工業(yè)中已成功應用了幾十年的傳統控制系統，隨著(zhù)物理設備和系統功能的擴充，在很多方面已經(jīng)達到了它的應用極限，而具有通用總線(xiàn)結構的網(wǎng)絡(luò )系統，即網(wǎng)絡(luò )控制系統NCS，則以其完整的體系結構，分布式的操作運行模式，相對獨立又能很好互聯(lián)的通信方式，節省的布線(xiàn)和信號可靠性，顯示出種種優(yōu)點(diǎn)。[3]

　　然而在目前的市場(chǎng)上存在著(zhù)多種網(wǎng)絡(luò )控制系統并存的局面，國際標準化組織還難以將其統一。對于大多數企業(yè)來(lái)說(shuō)，選擇不同的系統在人力、財力、物力上都要有相應不同程度的投入，因此決定何種系統更適合自己的生產(chǎn)控制狀況，對于提高企業(yè)生產(chǎn)力具有一定作用，本文初步總結了每種網(wǎng)絡(luò )控制系統的特點(diǎn)，以期給各企業(yè)改進(jìn)生產(chǎn)提供一定的幫助。此外，列舉了目前比較典型的兩種網(wǎng)絡(luò )控制系統的應用，具體展現NCSs的實(shí)用性。

2. 幾種網(wǎng)絡(luò )控制系統的比較

　　目前NCS研究領(lǐng)域的兩大主流方向就是：①源于自動(dòng)控制技術(shù)以滿(mǎn)足系統穩定及動(dòng)態(tài)性能（quality of performance, QoP）為目標的分析手段;②源于計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)以保證多媒體信息傳輸和遠程通信服務(wù)質(zhì)量（quality of service, QoS）的分析手段[4][5]，本文主要從數據通信技術(shù)方面，也就是QoS角度來(lái)比較他們的不同。

　　下面主要比較幾種網(wǎng)絡(luò )控制系統CAN、FF、PROFIBUS和LonWorks的通信模型。工業(yè)現場(chǎng)有其具體特點(diǎn)，如果按照OSI7層模式的參考模型，由于層間操作與轉換的復雜性，網(wǎng)絡(luò )接口的造價(jià)與時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)顯得過(guò)高。為滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，也為了實(shí)現工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的低成本，現 場(chǎng)總線(xiàn)采用的通信模型大都在OSI模型的基礎上進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化[3]。如下圖所示：

　　2.1 CAN的通信參考模型

　　CAN（controller area network）是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是德國B(niǎo)osch公司在1986年為解決現代汽車(chē)中眾多測量控制部件之間的數據交換問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信總線(xiàn)。

　　參照ISO/OSI標準模型，CAN分為數據鏈路層（包括邏輯鏈路控制子層LLC和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層MAC）和物理層。如圖1中CAN部分所示。

　　MAC子層主要規定傳輸規則，即控制幀結構、執行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。MAC子層要為開(kāi)始一次新的發(fā)送確定總線(xiàn)是否開(kāi)放或者是否馬上開(kāi)始接收。位定時(shí)也是MAC子層的一部分。物理層規定了節點(diǎn)的全部電氣特性。

　　CAN的通信協(xié)議由CAN通信控制器完成。CAN通信控制器由實(shí)現CAN總線(xiàn)協(xié)議的部分和跟微控制器接口部分的電路組成。

　　2.2 FF的通信參考模型

　　FF數據通信與控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是由現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )FF（fieldbus foundation）組織開(kāi)發(fā)的，已被列入IEC61158標準。

　　FF的參考模型只具備ISO/OSI參考模型7層中的物理層、數據鏈路層和應用層，并把應用層劃分為總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)子層和總線(xiàn)報文規范子層，不過(guò)它又在原有ISO/OSI參考模型的第7層應用層之上增加了新的一層——用戶(hù)層。

　　其中，物理層規定了信號如何發(fā)送;數據鏈路層規定如何在設備間共享網(wǎng)絡(luò )和調度通信;應用層規定了在設備間交換數據、命令、事件信息以及請求應答中的信息格式;用戶(hù)層用于組成用戶(hù)所需要的應用程序，例如規定標準的功能塊、設備描述，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )管理、系統管理等。模型如圖3中FF部分所示。