淺析網絡化控制系統

車傳文 車高峰

(1.中國軟件與技術服務股份有限公司，北京102200；2.三亞學院理工學院計算機系，海南三亞572022)

1.引言

在傳統的控制系統中，各個功能部件都是點對點與計算機連接的，并且傳輸的數據都是模擬信號。這使得系統布線復雜，維護難，從而增加了系統成本，降低了系統的可靠性、抗干擾性、靈活性以及擴展性。特別是在地域分散的情況下，傳統控制系統的高成本、低可靠性等弊端更加突出。隨著計算機科學和網絡通信技術以及控制理論的發展，控制系統發生了巨大的變化，網絡化控制系統應運而生，其主要標志就是在控制系統中引入了通信網絡，從而使得眾多的功能部件能夠通過網絡相連接，相關的信號和數據通過通信網絡進行傳輸和交換，避免了點對點專線的鋪設，而且可以實現資源共享、遠程操作和控制，增加了系統的靈活性和可靠性[1，2]。

2.網絡化控制系統的發展

最初的計算機控制系統即在20世紀七八十年代占據了主導地位的控制系統是直接數字控制系統。直接數字控制系統特征是計算機直接參與到對象的遠程的控制中，傳感器的模擬量輸出和執行器的數字量輸入都是與數字計算機點對點連接。這種集中控制的體系結構，就是全部的控制策略在一臺計算機中完成。由于所有的控制功能集中在一臺計算機中，當計算機出現局部故障就會使得整個控制系統癱瘓。

隨著控制系統規模的擴大和計算機控制技術進一步發展，出現了集散控制系統。它將控制功能分散到幾個小型的控制器中，并且每個控制器處理部分控制回路。這樣，局部出現故障不至于使得整個控制系統出現癱瘓。在20世紀八九十年代它在中國的工業控制系統中得到了廣泛的應用，并占據主導地位。盡管在集散控制系統中引入了控制網絡，但由于當時的傳感器和執行器只能發送和接收模擬信號，所以在傳感器和控制器、控制器和執行器之間仍然采用直接點對點的連接方式，這種控制系統結構仍屬于集中控制結構。

隨著科學技術發展、被控對象分散化和控制系統復雜化，控制系統中各個功能部件間需要傳輸的數據越來越多，這種集中控制結構使得控制系統逐漸顯現出一定的局限性，主要表現在布線復雜，系統的維護、升級、擴展困難等。此外這種控制系統結構也不適合模塊化、分散化、綜合診斷、維護快速簡易和低成本等一些新的技術要求。

在20世紀80年代興起的一種先進的工業控制技術，即現場總線控制系統，它是網絡化控制系統的初級階段。現場總線出現以后，網絡化、分散化、智能化便成為控制系統發展的一種必然趨勢。經過二十多年的發展，雖然取得了一定的成就，并在很多領域都得到了廣泛的應用，但是仍然存在一些問題，制約著其應用范圍的進一步擴展。首先是現場總線的選擇，雖然目前的國際電工委員會(IEC)組織定義了統一的國際總線標準，但是總線的種類仍然有十余種，并且各個廠家自成體系，不能達到完全開放，難以實現互操作和互換。其次，現場總線仍是一種分層的專用網絡，管理和控制分離，難以實現整個工廠的綜合自動化以及遠程的控制[3－7]。

3.網絡化控制系統的概念

網絡化控制系統的概念簡單地說，就是通過通信網絡將控制系統中各個功能部件，例如傳感器、控制器和執行器連接形成閉環的控制系統。由于通信網絡的引入使得網絡化控制系統具有自己特征。

(1)系統網絡化，這是網絡化控制系統最主要特點，正由于通信網絡的引入，將原來分散在不同地域的現場設備連接成網絡，才打破了自動化系統原有的信息孤島的僵局，為工業數據的集中和遠程傳輸、為了控制系統與其他信息系統的連接和溝通創造的了條件。

(2)信息數字化，與模擬信息相比，數字信息的抗干擾性強，傳輸精度高，傳輸的信息更加豐富。

(3)結構層次化，網絡化控制系統的分層結構是引入控制網絡后的另一個主要特點。在網絡化控制系統中，要完成底層的回路控制和順序控制，以及完成系統實施監視、參數調試等任務是通過處在不同層次的計算機完成。

(4)控制分散化與集中化相結合，這一特點是結構層次化的延伸。分層結構確定了控制系統的金字塔型的整體框架，并且這種結構完全符合企業生產的要求。在底層控制系統利用現場設備實現了分布式控制，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、甚至對宏觀決策提供必要信息的支持。

(5)設備模塊化與智能化，模塊化主要體現在工業控制中，各種網絡化控制系統的硬件廣泛地采用了模塊化結構使系統具有良好的靈活性和可擴展性，進而使系統的成本更低、體積更小、可靠性更高。軟件的模塊化使系統的組態方便、控制靈活、調試效率高、操作簡單。智能化主要表現在控制系統中現場設備的智能化和控制算法與優化算法的智能化。一方面，現場設備不僅能夠完成傳感測量、回路控制等基本功能，還可以進行補償計算、故障診斷等；另一方面，在高層網絡化控制系統提供了強大的計算機硬件平臺，為了先進的控制算法的使用提供了條件，一些先進的控制算法軟件包已經被開發并廣泛使用[8]。

(6)通信協議的漸進標準化，在互聯網中，TCP/IP協議已經成為了標準協議，而在網絡化控制系統中通信協議標準的統一必將是一個漫長的過程。

4.網絡化控制系統的基本問題

(1)共享資源的調度問題，網絡化控制系統的調度可以分為基于CPU的資源的控制任務可搶占的實時任務調度和基于共享傳輸介質的數據傳輸不可搶占的網絡調度兩類。它們的共同點是在于均受到共享資源的限制，主要區別在于是否具有搶占性。實時任務調度主要考慮在多個控制任務共享同一CPU的情況下，如何設置處理器執行各個控制任務的先后次序，以最大限度滿足控制系統的實時性。各個控制任務不同的優先級設置策略將會影響到其占用的處理器資源所處的地位。網絡調度涉及到網絡層的報文調度和應用層上的控制任務的調度。網絡調度主要考慮多個控制回路在共享的通信網絡的情況下，如何決定數據包的傳輸以滿足控制系統的實時性要求。

(2)時延，主要包括網絡誘導時延和計算時延，其中網絡誘導時延影響系統最大也是研究熱點，它的產生主要是因為通信網絡介入到控制系統中，它能夠降低系統的性能甚至會引起系統的不穩定。在網絡化控制系統的可能存在多種不同性質的時延，屬于哪一種主要由網絡的協議、帶寬，以及現場設備性能等來決定。網絡誘導時延的存在使控制系統的分析變得非常復雜，雖然實驗系統的分析和建模是近年來取得很大進展，但是由于時延的不確定性，使得現有的方法一般不能直接應用。

(3)數據包傳輸問題，主要涉及到單包和多包傳輸。單包傳輸是指網絡化控制中的傳感器、控制器的一個待發數據被捆在一個數據包中一起發送，而多包傳輸是指網絡化控制系統中的傳感器、控制器的一個待發數據被分成多個數據包進行傳輸。數據包的時序錯亂，在網絡化環境下，被傳輸的數據流經過眾多計算機和通信設備往往路徑不唯一，這必然會導致數據包的時序錯亂。時序錯亂使得原來的有一定的先后次序的數據包，在從源節點出發到目的節點時候，其到達的時序與原來的的時序不同。時序錯亂必然導致該到達的數據包不能按時到達，使得控制系統不能及時應用信息，難以實現實時性。數據包丟失，在網絡化控制系統中，由于不可避免存在網絡阻塞和連接中斷，這又必然導致數據包的丟失。雖然大多數網絡都具有重傳機制，但是它們也只能在一個有限時間內傳輸，當超過這個時間后，數據就會丟失。傳統的點對點結構的控制系統基本上都是同步和定時系統，它可以對系統中參數或者未建模動態具有較強的魯棒性，但是可能完全不能容忍數據網絡的結構和參數的改變[8]。

(4)功能部件的驅動方式，網絡化控制系統中的功能部件有兩種驅動方式：時鐘驅動和事件驅動。時鐘驅動是指網絡中節點在一個確定的時間到達時可以動作，事件驅動是指網絡中節點在一個特殊事件發生時開始動作。傳感器一般采用時鐘驅動，而控制器和執行器既可以采用時鐘驅動，也可以采用事件驅動。一般情況下，控制器和執行器采用事件驅動優于時鐘驅動，因為這樣能夠及時利用信息，減少了時延。但是當進行多包傳輸或產生時序錯亂時，事件驅動機制將變得很復雜，在設計上存在很大困難。

5.網絡化控制系統研究內容

對網絡化控制系統的研究包括三個方面：對網絡的控制、通過網絡的控制和著眼于網絡化控制系統總體性能指標的綜合控制[9，10]。

(1)對網絡的控制，這方面研究主要是圍繞網絡的服務質量，從拓撲結構、任務調度算法和介質訪問控制層協議等不同的角度提出的解決方案，以滿足系統對實時性的要求，減小網絡時延、時序錯亂、數據包丟失等一系列問題。它的評價指標包括網絡吞吐量、運輸率、誤碼率、時延可預測性和任務的可調度性。

(2)通過網絡控制，指的是在現有的網絡條件下，設計相適應的控制器，保證網絡化控制系統良好的控制性能和穩定性。它可以通過建立網絡化控制系統的數學模型用控制理論的方法進行研究。它的評價指標包括穩定性、快速性、準確性、超調和振蕩等。

(3)綜合控制，就是考慮在提高網絡性能和控制性能的基礎上，優化整個控制系統的性能。一個合理的通信協議可以確保網絡服務質量；同時，只有充分考慮了控制系統網絡化的特點的控制算法或控制器的設計方案，才能夠保證控制系統的整體性能。

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