控制网络及其关键技术分析new

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1、万方数据第28卷第5期电力自动化‘设备V01．28No．52008年5月ElectricPowerAut。mati。nEquipmentMay2008@控制网络及其关键技术分析李明(华南农业大学工程学院，广东广州510642)摘要：在分析控制网络的形成及作用的基础上。提出了控制网络的一般通信协议模型，探讨了控制网络的实时性、可靠性及安全性等关键问题。讨论了主要类型的有线和无线控制网络技术．对比分析典型现场总线的技术特点．并针对以太网在控制系统中的应用，总结提出了工业以太网的实时性、应用层协议、安全性、服务质量、本质安全与安全防爆等技术难点。对无线通信网

2、络在控制系统中的应用也进行了探讨。关键词：控制系统；控制网络；现场总线；工业以太网：无线通信网络中图分类号：’I'P393文献标识码：A文章编号：l006—6047(2008)05—0107—04l网络控制系统及控制网络的通信协议模型以计算机为核心的控制系统结构经历了“集中”、“分散”和“集散”等几个变化。采用先进的理论和技术．对控制系统进行研究．可以提高控制系统的性能。网络控制系统NCS(NetworkedControlSystems)是在网络环境下实现对生产对象的测量和控制．有狭义和广义之分。狭义的网络控制系统是某一区域内的传感器、执行器、控制器和

3、通信网络的集合m扪，如图1所示。图1狭义的网络控制系统Fig．1Specificnetworkedcontrolsystem广义的网络控制系统不仅包括狭义的网络控制系统．还包括通过信息网络以及Internet实现的对工厂车问、生产线甚至现场设备的监视和控制等。可以把NCS分为节点和通信网络2部分．其中节点包括智能仪器仪表、自动化装置、计算机系统等设备。通信网络是用于控制系统以完成自动化任务的网络技术。也可以称之为控制网络、测控网络或工业网络等。是NCS的核心与纽带．它将网络控制系统中的各个节点连接．使网络控制系统成为一个整体。控制网络与商用信息网络有相

4、似也有不同．信息网络以传送信息为主要目的．控制网络传递信息是以引起物质或能量的运动为最终目标【3．引。结合工业控制的需要．控制网络的通信协议对ISO／OSI的7层体系结构进行了简化．一般省略了一收稿日期：2007—05—28；修回日期：2007—07—24些中间层．主要包括物理层、数据链路层和应用层．其定义与OSI模型的定义类似．另外为了适应控制领域的需要．可以在应用层之上又加一个用户层．以功能块为基础为整个控制系统提供更理想的应用环境。控制网络一般的通信协议模型如图2所示⋯。IS0／0SIRM应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层控制网络i用

5、户层(可选)l：：：：：：[亘亟j：(可选)；图2控制网络的通信协议模型Fig．2Communicationprotocolmodelofcontrolnetwork现有的一些现场总线．如FF现场总线具有物理层、数据链路层和应用层，增加了用户层；Profibus具有物理层、数据链路层和应用层：控制器局域网(CAN)总线也只包括物理层、数据链路层和应用层；LonWorks现场总线有物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层7层f4]。对一个控制系统的基本要求是“稳、快、准”。将通信网络引入控制系统不仅不能降低控制系统的性能，反而必须提高控

6、制系统的性能。所以，对控制网络的研究主要围绕“实时性、可靠性和安全性”3个方面展开。实时性是指系统应该具有的在限定时间内对外来事件作出反应的特性。控制网络对实时性有很高的要求．有时只好牺牲部分信道利用率以保证实时性。控制网络的实时性的一个最重要指标就是时间延迟(简称时延)。当数据在控制网络上传输时，会引起网络控制系统节点之间的时延．这种时延使传统控制系统的一些理想假设．如同步控制和无延迟的检测与执行．在应用到网络控制系统时必须重新评价。控制网络引起的时延会降低控制系统的性能，甚至动摇整个控制系统的稳定性[¨。研究控制网络的实时性．可以从以下4个方面改善

7、控制网络的实时性[孓引。a．网络本身的硬件性能。包括网络的拓扑结构、万方数据通信介质、网络接口的传送速率等。通信介质的传输速率高、网络接口的传送速率快，可以提高网络的实时性。b．网络的通信协议。包括介质的存取控制技术、网络通信协议的层次结构、传输的可靠性、有无连接控制等。一般协议的层次结构越简单，通信系统对数据的封装和拆装的处理越少．网络对数据处理的时间越少。而可靠性与实时性是相互矛盾的。无连接、无应答的通信方式由于通信前不需要建立连接。通信完成后也不需要拆除连接．因而比有连接、有应答的通信方式的传输时延小，但可靠性较差。介质存取控制技术是分配与调度信

8、道的规则与方法。它是LAN的核心．也是影响网络实时性各因素中最为关键的因素。c．网络的数据量．