車傳文 車高峰

(1.中國軟件與技術(shù)服務(wù)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(tǒng)的控制系統(tǒng)中，各個功能部件都是點對點與計算機連接的，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是模擬信號。這使得系統(tǒng)布線復雜，維護難，從而增加了系統(tǒng)成本，降低了系統(tǒng)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(tǒng)控制系統(tǒng)的高成本、低可靠性等弊端更加突出。隨著計算機科學和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及控制理論的發(fā)展，控制系統(tǒng)發(fā)生了巨大的變化，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，其主要標志就是在控制系統(tǒng)中引入了通信網(wǎng)絡(luò)，從而使得眾多的功能部件能夠通過網(wǎng)絡(luò)相連接，相關(guān)的信號和數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)進行傳輸和交換，避免了點對點專線的鋪設(shè)，而且可以實現(xiàn)資源共享、遠程操作和控制，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性[1，2]。

2.網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的發(fā)展

最初的計算機控制系統(tǒng)即在20世紀七八十年代占據(jù)了主導地位的控制系統(tǒng)是直接數(shù)字控制系統(tǒng)。直接數(shù)字控制系統(tǒng)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(zhí)行器的數(shù)字量輸入都是與數(shù)字計算機點對點連接。這種集中控制的體系結(jié)構(gòu)，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(xiàn)局部故障就會使得整個控制系統(tǒng)癱瘓。

隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的擴大和計算機控制技術(shù)進一步發(fā)展，出現(xiàn)了集散控制系統(tǒng)。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(xiàn)故障不至于使得整個控制系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓。在20世紀八九十年代它在中國的工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，并占據(jù)主導地位。盡管在集散控制系統(tǒng)中引入了控制網(wǎng)絡(luò)，但由于當時的傳感器和執(zhí)行器只能發(fā)送和接收模擬信號，所以在傳感器和控制器、控制器和執(zhí)行器之間仍然采用直接點對點的連接方式，這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍屬于集中控制結(jié)構(gòu)。

隨著科學技術(shù)發(fā)展、被控對象分散化和控制系統(tǒng)復雜化，控制系統(tǒng)中各個功能部件間需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越來越多，這種集中控制結(jié)構(gòu)使得控制系統(tǒng)逐漸顯現(xiàn)出一定的局限性，主要表現(xiàn)在布線復雜，系統(tǒng)的維護、升級、擴展困難等。此外這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)要求。

在20世紀80年代興起的一種先進的工業(yè)控制技術(shù)，即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，它是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的初級階段。現(xiàn)場總線出現(xiàn)以后，網(wǎng)絡(luò)化、分散化、智能化便成為控制系統(tǒng)發(fā)展的一種必然趨勢。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，雖然取得了一定的成就，并在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但是仍然存在一些問題，制約著其應(yīng)用范圍的進一步擴展。首先是現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)互操作和互換。其次，現(xiàn)場總線仍是一種分層的專用網(wǎng)絡(luò)，管理和控制分離，難以實現(xiàn)整個工廠的綜合自動化以及遠程的控制[3－7]。

3.網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的概念

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的概念簡單地說，就是通過通信網(wǎng)絡(luò)將控制系統(tǒng)中各個功能部件，例如傳感器、控制器和執(zhí)行器連接形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)。由于通信網(wǎng)絡(luò)的引入使得網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)具有自己特征。

(1)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，這是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)最主要特點，正由于通信網(wǎng)絡(luò)的引入，將原來分散在不同地域的現(xiàn)場設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)，才打破了自動化系統(tǒng)原有的信息孤島的僵局，為工業(yè)數(shù)據(jù)的集中和遠程傳輸、為了控制系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的連接和溝通創(chuàng)造的了條件。

(2)信息數(shù)字化，與模擬信息相比，數(shù)字信息的抗干擾性強，傳輸精度高，傳輸?shù)男畔⒏迂S富。

(3)結(jié)構(gòu)層次化，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)是引入控制網(wǎng)絡(luò)后的另一個主要特點。在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，要完成底層的回路控制和順序控制，以及完成系統(tǒng)實施監(jiān)視、參數(shù)調(diào)試等任務(wù)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(jié)合，這一特點是結(jié)構(gòu)層次化的延伸。分層結(jié)構(gòu)確定了控制系統(tǒng)的金字塔型的整體框架，并且這種結(jié)構(gòu)完全符合企業(yè)生產(chǎn)的要求。在底層控制系統(tǒng)利用現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)了分布式控制，增強了控制系統(tǒng)的可靠性，在高層實現(xiàn)了對底層數(shù)據(jù)的集中監(jiān)視、管理，為上層的協(xié)調(diào)優(yōu)化、甚至對宏觀決策提供必要信息的支持。

(5)設(shè)備模塊化與智能化，模塊化主要體現(xiàn)在工業(yè)控制中，各種網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的硬件廣泛地采用了模塊化結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具有良好的靈活性和可擴展性，進而使系統(tǒng)的成本更低、體積更小、可靠性更高。軟件的模塊化使系統(tǒng)的組態(tài)方便、控制靈活、調(diào)試效率高、操作簡單。智能化主要表現(xiàn)在控制系統(tǒng)中現(xiàn)場設(shè)備的智能化和控制算法與優(yōu)化算法的智能化。一方面，現(xiàn)場設(shè)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(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)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(jīng)被開發(fā)并廣泛使用[8]。

(6)通信協(xié)議的漸進標準化，在互聯(lián)網(wǎng)中，TCP/IP協(xié)議已經(jīng)成為了標準協(xié)議，而在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中通信協(xié)議標準的統(tǒng)一必將是一個漫長的過程。

4.網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的基本問題

(1)共享資源的調(diào)度問題，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的調(diào)度可以分為基于CPU的資源的控制任務(wù)可搶占的實時任務(wù)調(diào)度和基于共享傳輸介質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸不可搶占的網(wǎng)絡(luò)調(diào)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(qū)別在于是否具有搶占性。實時任務(wù)調(diào)度主要考慮在多個控制任務(wù)共享同一CPU的情況下，如何設(shè)置處理器執(zhí)行各個控制任務(wù)的先后次序，以最大限度滿足控制系統(tǒng)的實時性。各個控制任務(wù)不同的優(yōu)先級設(shè)置策略將會影響到其占用的處理器資源所處的地位。網(wǎng)絡(luò)調(diào)度涉及到網(wǎng)絡(luò)層的報文調(diào)度和應(yīng)用層上的控制任務(wù)的調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)調(diào)度主要考慮多個控制回路在共享的通信網(wǎng)絡(luò)的情況下，如何決定數(shù)據(jù)包的傳輸以滿足控制系統(tǒng)的實時性要求。

(2)時延，主要包括網(wǎng)絡(luò)誘導時延和計算時延，其中網(wǎng)絡(luò)誘導時延影響系統(tǒng)最大也是研究熱點，它的產(chǎn)生主要是因為通信網(wǎng)絡(luò)介入到控制系統(tǒng)中，它能夠降低系統(tǒng)的性能甚至會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的可能存在多種不同性質(zhì)的時延，屬于哪一種主要由網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議、帶寬，以及現(xiàn)場設(shè)備性能等來決定。網(wǎng)絡(luò)誘導時延的存在使控制系統(tǒng)的分析變得非常復雜，雖然實驗系統(tǒng)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(xiàn)有的方法一般不能直接應(yīng)用。

(3)數(shù)據(jù)包傳輸問題，主要涉及到單包和多包傳輸。單包傳輸是指網(wǎng)絡(luò)化控制中的傳感器、控制器的一個待發(fā)數(shù)據(jù)被捆在一個數(shù)據(jù)包中一起發(fā)送，而多包傳輸是指網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的傳感器、控制器的一個待發(fā)數(shù)據(jù)被分成多個數(shù)據(jù)包進行傳輸。數(shù)據(jù)包的時序錯亂，在網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下，被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流經(jīng)過眾多計算機和通信設(shè)備往往路徑不唯一，這必然會導致數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包，在從源節(jié)點出發(fā)到目的節(jié)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(shù)據(jù)包不能按時到達，使得控制系統(tǒng)不能及時應(yīng)用信息，難以實現(xiàn)實時性。數(shù)據(jù)包丟失，在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，由于不可避免存在網(wǎng)絡(luò)阻塞和連接中斷，這又必然導致數(shù)據(jù)包的丟失。雖然大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都具有重傳機制，但是它們也只能在一個有限時間內(nèi)傳輸，當超過這個時間后，數(shù)據(jù)就會丟失。傳統(tǒng)的點對點結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)基本上都是同步和定時系統(tǒng)，它可以對系統(tǒng)中參數(shù)或者未建模動態(tài)具有較強的魯棒性，但是可能完全不能容忍數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的改變[8]。

(4)功能部件的驅(qū)動方式，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的功能部件有兩種驅(qū)動方式：時鐘驅(qū)動和事件驅(qū)動。時鐘驅(qū)動是指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在一個確定的時間到達時可以動作，事件驅(qū)動是指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在一個特殊事件發(fā)生時開始動作。傳感器一般采用時鐘驅(qū)動，而控制器和執(zhí)行器既可以采用時鐘驅(qū)動，也可以采用事件驅(qū)動。一般情況下，控制器和執(zhí)行器采用事件驅(qū)動優(yōu)于時鐘驅(qū)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(chǎn)生時序錯亂時，事件驅(qū)動機制將變得很復雜，在設(shè)計上存在很大困難。

5.網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)研究內(nèi)容

對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研究包括三個方面：對網(wǎng)絡(luò)的控制、通過網(wǎng)絡(luò)的控制和著眼于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)總體性能指標的綜合控制[9，10]。

(1)對網(wǎng)絡(luò)的控制，這方面研究主要是圍繞網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，從拓撲結(jié)構(gòu)、任務(wù)調(diào)度算法和介質(zhì)訪問控制層協(xié)議等不同的角度提出的解決方案，以滿足系統(tǒng)對實時性的要求，減小網(wǎng)絡(luò)時延、時序錯亂、數(shù)據(jù)包丟失等一系列問題。它的評價指標包括網(wǎng)絡(luò)吞吐量、運輸率、誤碼率、時延可預(yù)測性和任務(wù)的可調(diào)度性。

(2)通過網(wǎng)絡(luò)控制，指的是在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件下，設(shè)計相適應(yīng)的控制器，保證網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)良好的控制性能和穩(wěn)定性。它可以通過建立網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的數(shù)學模型用控制理論的方法進行研究。它的評價指標包括穩(wěn)定性、快速性、準確性、超調(diào)和振蕩等。

(3)綜合控制，就是考慮在提高網(wǎng)絡(luò)性能和控制性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化整個控制系統(tǒng)的性能。一個合理的通信協(xié)議可以確保網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量；同時，只有充分考慮了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的特點的控制算法或控制器的設(shè)計方案，才能夠保證控制系統(tǒng)的整體性能。

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