幾種網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的比較及典型應用

1. 引言

　　網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（NCSs）是近年來發(fā)展形成的自動控制領域的新技術(shù)，是計算機網(wǎng)絡、通信與自動控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物[1]。隨著自動控制、計算機、通信、網(wǎng)絡等技術(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)絡化控制是復雜控制系統(tǒng)和遠程控制系統(tǒng)的客觀需求。[2]

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

　　然而在目前的市場上存在著多種網(wǎng)絡控制系統(tǒng)并存的局面，國際標準化組織還難以將其統(tǒng)一。對于大多數(shù)企業(yè)來說，選擇不同的系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)了每種網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的特點，以期給各企業(yè)改進生產(chǎn)提供一定的幫助。此外，列舉了目前比較典型的兩種網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的應用，具體展現(xiàn)NCSs的實用性。

2. 幾種網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的比較

　　目前NCS研究領域的兩大主流方向就是：①源于自動控制技術(shù)以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定及動態(tài)性能（quality of performance, QoP）為目標的分析手段;②源于計算機網(wǎng)絡技術(shù)以保證多媒體信息傳輸和遠程通信服務質(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角度來比較他們的不同。

　　下面主要比較幾種網(wǎng)絡控制系統(tǒng)CAN、FF、PROFIBUS和LonWorks的通信模型。工業(yè)現(xiàn)場有其具體特點，如果按照OSI7層模式的參考模型，由于層間操作與轉(zhuǎn)換的復雜性，網(wǎng)絡接口的造價與時間開銷顯得過高。為滿足實時性要求，也為了實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡的低成本，現(xiàn) 場總線采用的通信模型大都在OSI模型的基礎上進行了不同程度的簡化[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)的簡稱，是德國Bosch公司在1986年為解決現(xiàn)代汽車中眾多測量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。

　　參照ISO/OSI標準模型，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、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。MAC子層要為開始一次新的發(fā)送確定總線是否開放或者是否馬上開始接收。位定時也是MAC子層的一部分。物理層規(guī)定了節(jié)點的全部電氣特性。

　　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)絡技術(shù)是由現(xiàn)場總線基金會FF（fieldbus foundation）組織開發(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(shù)據(jù)鏈路層和應用層，并把應用層劃分為總線訪問子層和總線報文規(guī)范子層，不過它又在原有ISO/OSI參考模型的第7層應用層之上增加了新的一層——用戶層。

　　其中，物理層規(guī)定了信號如何發(fā)送;數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定如何在設備間共享網(wǎng)絡和調(diào)度通信;應用層規(guī)定了在設備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息以及請求應答中的信息格式;用戶層用于組成用戶所需要的應用程序，例如規(guī)定標準的功能塊、設備描述，實現(xiàn)網(wǎng)絡管理、系統(tǒng)管理等。模型如圖3中FF部分所示。