摘 要：通過(guò)比較的方式研究了目前幾種比較成熟的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，以期指出他們各自更加適合什么類型的企業(yè)和生產(chǎn)狀況，并根據(jù)其中兩種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)合的實(shí)施方案。目的是為了在目前各種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)并存而又沒(méi)有制定出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的情況下為各種不同的企業(yè)選擇適合自己的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提供借鑒。 關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（NCSs）; CAN; FF; PROFIBUS; LonWorks; 通信模型 1. 引言 　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信與自動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物[1]。隨著自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)的信息集成系統(tǒng)正在不斷壯大，而網(wǎng)絡(luò)化控制是復(fù)雜控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的客觀需求。[2] 　　在工業(yè)中已成功應(yīng)用了幾十年的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，隨著物理設(shè)備和系統(tǒng)功能的擴(kuò)充，在很多方面已經(jīng)達(dá)到了它的應(yīng)用極限，而具有通用總線結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS，則以其完整的體系結(jié)構(gòu)，分布式的操作運(yùn)行模式，相對(duì)獨(dú)立又能很好互聯(lián)的通信方式，節(jié)省的布線和信號(hào)可靠性，顯示出種種優(yōu)點(diǎn)。[3] 　　然而在目前的市場(chǎng)上存在著多種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)并存的局面，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織還難以將其統(tǒng)一。對(duì)于大多數(shù)企業(yè)來(lái)說(shuō)，選擇不同的系統(tǒng)在人力、財(cái)力、物力上都要有相應(yīng)不同程度的投入，因此決定何種系統(tǒng)更適合自己的生產(chǎn)控制狀況，對(duì)于提高企業(yè)生產(chǎn)力具有一定作用，本文初步總結(jié)了每種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)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(tǒng)的應(yīng)用，具體展現(xiàn)NCSs的實(shí)用性。 2. 幾種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)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)以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定及動(dòng)態(tài)性能（quality of performance, QoP）為目標(biāo)的分析手段;②源于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以保證多媒體信息傳輸和遠(yuǎn)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(shù)據(jù)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(tǒng)CAN、FF、PROFIBUS和LonWorks的通信模型。工業(yè)現(xiàn)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(zhuǎn)換的復(fù)雜性，網(wǎng)絡(luò)接口的造價(jià)與時(shí)間開(kāi)銷顯得過(guò)高。為滿足實(shí)時(shí)性要求，也為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的低成本，現(xiàn) 場(chǎng)總線采用的通信模型大都在OSI模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化[3]。如下圖所示： [align=center] 圖1 ISO/OSI模型與CAN、FF、PROFIBUS、LonTalk通信模型比較 Fig.1 Comparison of ISO/OSI and CAN、FF、PROFIBUS、LonTalk reference model[/align] 　　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，是德國(guó)Bosch公司在1986年為解決現(xiàn)代汽車中眾多測(cè)量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。 　　參照ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)模型，CAN分為數(shù)據(jù)鏈路層（包括邏輯鏈路控制子層LLC和介質(zhì)訪問(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(guī)定傳輸規(guī)則，即控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)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(guī)定了節(jié)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(xiàn)CAN總線協(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(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)FF（fieldbus foundation）組織開(kāi)發(fā)的，已被列入IEC61158標(biāo)準(zhǔn)。 　　FF的參考模型只具備ISO/OSI參考模型7層中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并把應(yīng)用層劃分為總線訪問(wèn)子層和總線報(bào)文規(guī)范子層，不過(guò)它又在原有ISO/OSI參考模型的第7層應(yīng)用層之上增加了新的一層——用戶層。 　　其中，物理層規(guī)定了信號(hào)如何發(fā)送;數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定如何在設(shè)備間共享網(wǎng)絡(luò)和調(diào)度通信;應(yīng)用層規(guī)定了在設(shè)備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息以及請(qǐng)求應(yīng)答中的信息格式;用戶層用于組成用戶所需要的應(yīng)用程序，例如規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能塊、設(shè)備描述，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理等。模型如圖3中FF部分所示。 　　2.3 PROFIBUS的通信參考模型 　　PROFIBUS是Process Fieldbus的縮寫(xiě)，是一種國(guó)際性的開(kāi)放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA 3個(gè)兼容版本。[6] 　　PROFIBUS-DP：經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信設(shè)計(jì)，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。 　　PROFIBUS-FMS：解決車間級(jí)通用性通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，用于一般自動(dòng)化控制。 　　PROFIBUS-PA：專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全的傳輸技術(shù)，用于對(duì)安全性要求高的場(chǎng)合及由總線供電的站點(diǎn)。 　　PROFIBUS采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸采用DP型，隱去了第3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合，作為用戶接口;FMS型則只隱去了第3～6層，采用了應(yīng)用層。具體模型如圖1中PROFIBUS部分所示。 　　PA型的標(biāo)準(zhǔn)目前還處于制定過(guò)程中，與FF通信技術(shù)的低速網(wǎng)段部分標(biāo)準(zhǔn)相兼容。 　　PROFIBUS總線存取協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式，主從方式允許主站在得到總線存取令牌時(shí)可與從站通信，每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或索取信息，通過(guò)這種方法有可能實(shí)現(xiàn)下列系統(tǒng)配置：純主——從系統(tǒng);純主——主系統(tǒng)（帶令牌傳遞）;混合系統(tǒng)。 　　2.4 LonWorks通信協(xié)議——LonTalk 　　LonWorks是一個(gè)開(kāi)放的控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)技術(shù)，是國(guó)際上普遍用來(lái)連接日常設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)之一,它采用分布式的智能設(shè)備組建控制網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也支持主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它支持各種通信介質(zhì)，該控制網(wǎng)絡(luò)的核心部分——LonTalk通信協(xié)議已經(jīng)固化在神經(jīng)元芯片之中。 　　LonWorks被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò),正是由于它的通信協(xié)議LonTalk是ISO組織制定的OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型的七層協(xié)議的一個(gè)子集。LonTalk與OSI的七層協(xié)議比較如圖1。 　　LonTalk協(xié)議在物理層協(xié)議中支持多種通信協(xié)議，以適應(yīng)不同的通信介質(zhì)需要;它的MAC子層是鏈路層的一部分，它使用OSI各層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口和鏈路層的其它部分進(jìn)行通信;鏈路層提供子網(wǎng)內(nèi)LPDU幀順序的無(wú)響應(yīng)傳輸，提供錯(cuò)誤檢測(cè)但不提供錯(cuò)誤恢復(fù)能力;網(wǎng)絡(luò)層提供給用戶一個(gè)簡(jiǎn)單的通信接口，定義了如何接收、發(fā)送和響應(yīng)報(bào)文等;傳輸層是無(wú)連接的，提供1對(duì)1節(jié)點(diǎn)，1對(duì)多節(jié)點(diǎn)的可靠傳輸;會(huì)話層提供請(qǐng)求——響應(yīng)機(jī)制，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的連接來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù);表示層和應(yīng)用層提供網(wǎng)絡(luò)變量、顯示報(bào)文、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)跟蹤、外來(lái)幀傳輸?shù)姆?wù)。 3. 幾種系統(tǒng)的特點(diǎn)及適用性 　　3.1 CAN的特點(diǎn)及適用性 　　CAN正如它的名稱一樣，是控制網(wǎng)絡(luò)中的局域網(wǎng)類型。如前所述，它從一開(kāi)始就是專為解決現(xiàn)代汽車中眾多測(cè)量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的總線式串行通信技術(shù)。它只包括了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其全部?jī)?nèi)容可以封裝在通信控制器的芯片內(nèi)。因而可以說(shuō)它并不是一項(xiàng)完整的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也不足以構(gòu)成一個(gè)企業(yè)的控制網(wǎng)絡(luò)，比較適宜于作為控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通信芯片的通信規(guī)范。 　　3.2 FF的特點(diǎn)及適用性 　　基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的最大特征就在于它不僅僅是一種總線，而且是一個(gè)系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也是自動(dòng)化系統(tǒng)，它使自動(dòng)化系統(tǒng)具備了網(wǎng)絡(luò)化特征，也使各種網(wǎng)絡(luò)通信圍繞完成各種自動(dòng)化任務(wù)進(jìn)行。 　　這種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)特別適合于過(guò)程自動(dòng)化生產(chǎn)，它既可以完成全分布式自動(dòng)化系統(tǒng)的主要功能即對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、信號(hào)變送、控制、顯示、計(jì)算等，而它所具有的網(wǎng)絡(luò)通信能力又使它的各項(xiàng)自動(dòng)化功能是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸、連接、各部分的功能集成而共同完成的，更有效、方便地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程地安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)管控一體化。另外，還可以實(shí)現(xiàn)總線供電。 　　它的另一大優(yōu)勢(shì)是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)中的設(shè)備描述（DD）技術(shù)，這使得它擁有較好的可互操作性，而且制造商也不必專門(mén)制造適應(yīng)它的接口，還可以不斷添加新的塊或參數(shù)。 　　但FF通信技術(shù)設(shè)立了低速、高速兩部分網(wǎng)段，即H1和HSE，在現(xiàn)場(chǎng)管理級(jí)，也即現(xiàn)場(chǎng)總線部分使用的是低速總線H1的標(biāo)準(zhǔn)，通信速率為31.25Kbps，這對(duì)于需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆稚⒃O(shè)備之間的通信就略顯局促。 　　3.3 FROFIBUS的特點(diǎn)及適用性 　　FROFIBUS可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場(chǎng)底層到車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)化，如前面所提到的，該系統(tǒng)分為主站和從站，主站決定總線的數(shù)據(jù)通信。從站為外圍設(shè)備，沒(méi)有總線控制權(quán)，僅對(duì)接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向它發(fā)送信息。 　　FROFIBUS系統(tǒng)是比較完善的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，可以完成從設(shè)備級(jí)自動(dòng)控制到車間級(jí)過(guò)程控制以致最上層的工廠管理級(jí)的控制，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，由于主從式的設(shè)計(jì)導(dǎo)致軟硬件投入也比前兩種系統(tǒng)大很多，因此比較適宜于規(guī)模較大，經(jīng)濟(jì)和技術(shù)實(shí)力都較強(qiáng)勁的企業(yè)。 　　3.4 LonWorks的特點(diǎn)及適用性 　　LonWorks的最大特色就在于他與互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)縫結(jié)合，第三代的LonWorks技術(shù)已能充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，將一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制局域網(wǎng)絡(luò)變成一個(gè)借助廣域網(wǎng)跨越遠(yuǎn)程地域的控制網(wǎng)絡(luò)，并提供端到端的各種增值服務(wù)。它的另一大特色是它的互操作性。不同生產(chǎn)廠商的器件之間實(shí)現(xiàn)了互相操作、互相替代。 　　在LonWorks應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，LonWorks技術(shù)嵌入到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，使設(shè)備與設(shè)備之間保持對(duì)等的通信結(jié)構(gòu)。同時(shí)，這些控制網(wǎng)絡(luò)又通過(guò)各種互聯(lián)網(wǎng)的連接設(shè)備將控制網(wǎng)絡(luò)的信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接入某個(gè)數(shù)據(jù)中心或運(yùn)營(yíng)商主持的企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)。還能通過(guò)LNS控制網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)建立上層的企業(yè)解決方案，同時(shí)與ERP、CRM等信息技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合。 　　因此LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)比較適用于那些地域分布很廣而又需要上層集中管理的企業(yè)類型，比如電力系統(tǒng)的變電站、大廈物業(yè)管理、便利超市的統(tǒng)一管理等。 4. 典型應(yīng)用舉例 　　限于篇幅，這里列舉FF和LonWorks兩種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，以便更清晰地展現(xiàn)這兩種網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。選擇這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的原因正如前所說(shuō)CAN并不是一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)而PROFIBUS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)又過(guò)于復(fù)雜，而且PROFIBUS-PA的標(biāo)準(zhǔn)目前與IEC1158-2（H1）標(biāo)準(zhǔn)，即FF通信技術(shù)的低速網(wǎng)段部分標(biāo)準(zhǔn)相兼容。所以選取FF和LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更具有典型性。 　　4.1 FF網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 　　控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是FF應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特色，圖2為一個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)典型的FF網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成圖。圖中包括多個(gè)低速網(wǎng)段H1和高速網(wǎng)段HSE。整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)（主要用來(lái)監(jiān)視操作）、控制器、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備（作為網(wǎng)關(guān)）、網(wǎng)卡以及由現(xiàn)場(chǎng)總線連接的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備共同組成。 [align=center] 圖2 FF網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成圖 Fig.2 The constitute of FF system[/align] 　　4.2 樓宇自動(dòng)化抄表系統(tǒng)中的LonWorks網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了LonWorks的LNS客戶服務(wù)器構(gòu)架來(lái)實(shí)現(xiàn)小區(qū)的抄表、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)管理功能。以便完成開(kāi)發(fā)商對(duì)于三表收費(fèi)系統(tǒng)的較高要求即：完成三表操作并且將采集來(lái)的數(shù)據(jù)直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)現(xiàn)收費(fèi)、查詢、打印;對(duì)于電表要根據(jù)不同時(shí)段采用多種付費(fèi)率;現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)能不依賴于上位機(jī)獨(dú)立分時(shí)統(tǒng)計(jì)。 　　圖3為整個(gè)工程結(jié)構(gòu)圖。前端為現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)柜，每個(gè)機(jī)柜插一塊或數(shù)塊LonWorks控制模塊，負(fù)責(zé)一個(gè)單元或幾戶的水表和電表檢測(cè)。上位機(jī)采用客戶服務(wù)器結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，管理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)處理收費(fèi)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)是一臺(tái)便攜機(jī)，作為客戶機(jī)，在系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上的共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安裝和維護(hù)。本系統(tǒng)可以連接多臺(tái)客戶作為網(wǎng)絡(luò)管理，甚至通過(guò)internet對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理維護(hù)。 [align=center] 圖3. LonWorks網(wǎng)絡(luò)在小區(qū)抄表自動(dòng)化中的應(yīng)用 Fig.3 LonWorks’ application in automatic collecting of charges of water and electricity of small residential district[/align] 5. 結(jié)論 　　NCS是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)解決了控制系統(tǒng)發(fā)展中出現(xiàn)的很多問(wèn)題，進(jìn)一步提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，發(fā)展了生產(chǎn)力。幾種比較成熟的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)技術(shù)因?yàn)槠湓谕ㄐ偶夹g(shù)和硬件組成上的很多不同而彰現(xiàn)出各自的特點(diǎn)，企業(yè)應(yīng)該在了解自己的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己的特點(diǎn)選擇較適合自己的控制系統(tǒng)。本文通過(guò)比較幾種較成熟的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)技術(shù)以及典型應(yīng)用實(shí)例，初步得出了幾種不同系統(tǒng)適用的地方，希望對(duì)部分企業(yè)的技術(shù)革新帶來(lái)幫助，并能為我國(guó)的改革和現(xiàn)代化建設(shè)貢獻(xiàn)出微薄的力量。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 陽(yáng)憲惠.工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.6. 　　[2] 彭晨,岳東.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中基于時(shí)延辨識(shí)的模糊控制器研究[J].信息與控制,2004.33（5）:584-589 　　[3] 張?jiān)粕?網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2003.6. 　　[4] Feng-Li Lian, James Moyne, Dawn Tilbury. 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