1. 引言

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCSs）是近年來發(fā)展形成的自動控制領(lǐng)域的新技術(shù)，是計算機網(wǎng)絡(luò)、通信與自動控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。隨著自動控制、計算機、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)和遠程控制系統(tǒng)的客觀需求。

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)功能的擴充，在很多方面已經(jīng)達到了它的應(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。

然而在目前的市場上存在著多種網(wǎng)絡(luò)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(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，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(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，具體展現(xiàn)NCSs的實用性。

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(luò)技術(shù)以保證多媒體信息傳輸和遠程通信服務(wù)質(zhì)量（quality of service， QoS）的分析手段［，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(luò)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(fù)雜性，網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(chǔ)上進行了不同程度的簡化。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(luò)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(yīng)用層，并把應(yīng)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(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)定標準的功能塊、設(shè)備描述，實現(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，是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA 3個兼容版本。

PROFIBUS-DP：經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間通信設(shè)計，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)，用于一般自動化控制。

PROFIBUS-PA：專為過程自動化設(shè)計，標準的本質(zhì)安全的傳輸技術(shù)，用于對安全性要求高的場合及由總線供電的站點。

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型的標準目前還處于制定過程中，與FF通信技術(shù)的低速網(wǎng)段部分標準相兼容。

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可與從站通信，每個主站均可向從站發(fā)送或索取信息，通過這種方法有可能實現(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是一個開放的控制網(wǎng)絡(luò)平臺技術(shù)，是國際上普遍用來連接日常設(shè)備的標準之一，它采用分布式的智能設(shè)備組建控制網(wǎng)絡(luò)，同時也支持主從式網(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開放系統(tǒng)互連參考模型的七層協(xié)議的一個子集。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)議的標準接口和鏈路層的其它部分進行通信;鏈路層提供子網(wǎng)內(nèi)LPDU幀順序的無響應(yīng)傳輸，提供錯誤檢測但不提供錯誤恢復(fù)能力;網(wǎng)絡(luò)層提供給用戶一個簡單的通信接口，定義了如何接收、發(fā)送和響應(yīng)報文等;傳輸層是無連接的，提供1對1節(jié)點，1對多節(jié)點的可靠傳輸;會話層提供請求——響應(yīng)機制，通過節(jié)點的連接來進行遠程數(shù)據(jù)服務(wù);表示層和應(yīng)用層提供網(wǎng)絡(luò)變量、顯示報文、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)跟蹤、外來幀傳輸?shù)姆?wù)。

3. 幾種系統(tǒng)的特點及適用性

3.1 CAN的特點及適用性

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，它從一開始就是專為解決現(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，其全部內(nèi)容可以封裝在通信控制器的芯片內(nèi)。因而可以說它并不是一項完整的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也不足以構(gòu)成一個企業(yè)的控制網(wǎng)絡(luò)，比較適宜于作為控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點通信芯片的通信規(guī)范。

3.2 FF的特點及適用性

基金會現(xiàn)場總線的最大特征就在于它不僅僅是一種總線，而且是一個系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也是自動化系統(tǒng)，它使自動化系統(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化任務(wù)進行。

這種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)特別適合于過程自動化生產(chǎn)，它既可以完成全分布式自動化系統(tǒng)的主要功能即對工業(yè)生產(chǎn)過程的各個參數(shù)進行測量、信號變送、控制、顯示、計算等，而它所具有的網(wǎng)絡(luò)通信能力又使它的各項自動化功能是通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的信息傳輸、連接、各部分的功能集成而共同完成的，更有效、方便地實現(xiàn)生產(chǎn)過程地安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，并進一步實現(xiàn)管控一體化。另外，還可以實現(xiàn)總線供電。

它的另一大優(yōu)勢是現(xiàn)場設(shè)備開發(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)場管理級，也即現(xiàn)場總線部分使用的是低速總線H1的標準，通信速率為31.25Kbps，這對于需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆稚⒃O(shè)備之間的通信就略顯局促。

3.3 FROFIBUS的特點及適用性

FROFIBUS可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場底層到車間級網(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，沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予確認或當(dāng)主站發(fā)出請求時向它發(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)備級自動控制到車間級過程控制以致最上層的工廠管理級的控制，但系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，由于主從式的設(shè)計導(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)濟和技術(shù)實力都較強勁的企業(yè)。

3.4 LonWorks的特點及適用性

LonWorks的最大特色就在于他與互聯(lián)網(wǎng)的無縫結(jié)合，第三代的LonWorks技術(shù)已能充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，將一個現(xiàn)場設(shè)備控制局域網(wǎng)絡(luò)變成一個借助廣域網(wǎng)跨越遠程地域的控制網(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)場設(shè)備中，使設(shè)備與設(shè)備之間保持對等的通信結(jié)構(gòu)。同時，這些控制網(wǎng)絡(luò)又通過各種互聯(lián)網(wǎng)的連接設(shè)備將控制網(wǎng)絡(luò)的信息通過互聯(lián)網(wǎng)接入某個數(shù)據(jù)中心或運營商主持的企業(yè)數(shù)據(jù)庫。還能通過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。選擇這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的原因正如前所說CAN并不是一個完整的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)而PROFIBUS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)又過于復(fù)雜，而且PROFIBUS-PA的標準目前與IEC1158-2（H1）標準，即FF通信技術(shù)的低速網(wǎng)段部分標準相兼容。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

控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是FF應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的特色，圖2為一個工業(yè)現(xiàn)場典型的FF網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成圖。圖中包括多個低速網(wǎng)段H1和高速網(wǎng)段HSE。整個系統(tǒng)由計算機（主要用來監(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)場總線連接的現(xiàn)場設(shè)備共同組成。

4.2 樓宇自動化抄表系統(tǒng)中的LonWorks網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計中采用了LonWorks的LNS客戶服務(wù)器構(gòu)架來實現(xiàn)小區(qū)的抄表、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和網(wǎng)絡(luò)管理功能。以便完成開發(fā)商對于三表收費系統(tǒng)的較高要求即：完成三表操作并且將采集來的數(shù)據(jù)直接進入數(shù)據(jù)庫并實現(xiàn)收費、查詢、打印;對于電表要根據(jù)不同時段采用多種付費率;現(xiàn)場節(jié)點能不依賴于上位機獨立分時統(tǒng)計。

圖3為整個工程結(jié)構(gòu)圖。前端為現(xiàn)場控制機柜，每個機柜插一塊或數(shù)塊LonWorks控制模塊，負責(zé)一個單元或幾戶的水表和電表檢測。上位機采用客戶服務(wù)器結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫管理機作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，管理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，同時處理收費系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)絡(luò)管理機是一臺便攜機，作為客戶機，在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上的共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫進行網(wǎng)絡(luò)安裝和維護。本系統(tǒng)可以連接多臺客戶作為網(wǎng)絡(luò)管理，甚至通過internet對網(wǎng)絡(luò)進行管理維護。

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)的很多問題，進一步提高了企業(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)因為其在通信技術(shù)和硬件組成上的很多不同而彰現(xiàn)出各自的特點，企業(yè)應(yīng)該在了解自己的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟實力的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己的特點選擇較適合自己的控制系統(tǒng)。本文通過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)用實例，初步得出了幾種不同系統(tǒng)適用的地方，希望對部分企業(yè)的技術(shù)革新帶來幫助，并能為我國的改革和現(xiàn)代化建設(shè)貢獻出微薄的力量。

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