网络控制系统发展趋势综述 李俊杰熊静 （华北电力大学（保定），河北保定０７１００３） 摘要：网络控制系统是随着控制技术、网络通信技术以及计算机技术的发展而逐渐发展起来的，它是通过控 制网络实现闭环控回路的反馈控制系统。文章介绍了网络控制系统的概念及其发展历程，论述了其应用现状， 并分析了其发展前景及趋势。 关键词：网络控制系统；ＤＣＳ；ＦＣＳ；以太网 中图分类号：ＴＰ２７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—２３７４（２０１１）２５—００１６—０２ 网络控制系统是随着控制技术、网络通信技术以 及计算机技术的发展而逐渐发展起来的，它是通过控 制网络实现闭环控回路的反馈控制系统。它的一般定 义是指通过计算机网络和总线将传感器、执行器和控 突破集中控制模式的束缚，系统可靠性有限。 现场总线技术（ＦＣＳ）兴起于２０世纪９０年代，其 适应了各行业现场测控方面的需求，形成了多标准并 存的局面。ＦＣＳ是以现场总线作为底层网络，通过网 络集成构成的自动控制系统。它突破了ＤＣＳ系统中采 用专用网络的缺陷，把专用封闭协议变成标准开放协 议，将现场的各种控制器和仪表设备相互连接，把控 制单元作为网络系统连接起来共同完成控制任务的系 统。网络控制系统充分体现了控制系统向网络化、集 成化、分布化、节点智能化方向的发展趋势，在工业 自动化等方面已产生了深远影响。网络控制系统的主 要优势在于系统连线少、可靠性高、结构灵活、易于 制功能下放到现场。同时它使系统具有完全数字计算 机和数字通信能力，提高了系统的可靠性和灵活性， 但是ＦＣＳ系统多标准共存，不同标准的系统不易互 联，从而形成了市场垄断，造成用户选型、维护及使 用上的极大困难。 系统扩展和维护以及能够实现信息资源共享。随着自 动控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业的 信息系统也在不断的更新发展，因此网络控制系统须 满足复杂控制系统和远程控制系统的客观要求。 一由于控制系统的开放性差等原因使得工业以太网 技术迅猛发展。由于以太网具有广泛的技术支持，传 、网络控制系统发展历程 ２０世纪中期，计算机开始进入工业控制的舞台， 输速度高、资源共享能力强、易于组网等优势，工业 以太网正逐步进入工业控制网络领域。ＴＣＰ／ＩＰ／协议 由于当时计算机技价格昂贵，人们便企图用一台计算 机尽可能多取代控制仪表，于是产生了直接数字控制 是跨平台的通信协议款，能方便地实现异种机互联， ＴＣＰ／ＩＰ协议由信息网络向底层控制网络延伸和扩展， 形成了控制与信息一体化分布式全开放网络，即符合 系统（ＤＯＳ）。但由于计算机技术尚不发达且可靠性 差，引起了控制系统危险集中的脆弱性问题，即一旦 计算机出现某种故障，就会造成所有相关控制回路瘫 痪、停产的严重局面。 计算机、网络和控制技术融合的潮流ＮＣＳ系统。 二、网络控制系统的应用现状与发展方向 （一）集散控制系统（ＤＣＳ） ２０世纪７０年代中期，随着计算机可靠性的提高， 价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制 器以及集散控制系统（ＤＣＳ）。ＤＣＳ吸收了分散仪表控 １．应用现状。集散控制系统从问世以来，进行 了三次比较大的变革，７０年代无动态流程图、操作站 是专用的，通信网络采用轮询方式。８０年代通信网络 制系统和计算机集中式控制系统的优点，体现了管理 的集中性和控制的分散性。虽然与ＤＤＳ相比，ＤＣＳ具有 开始渐渐使用使用令牌方式。９０年代出现了通用系统 操作站，以太网开始进入通信网络领域。２０多年来， ＤＣＳ已经广泛应用于各工业领域，成为工业控制系统 的主流。近年来，新推出的ＤＣＳ开始采用国际标准化 协调性、自主性、风险分散等优势，但其仍然是模拟 数字混合系统，模拟信号的转换和传输使系统精度受 到限制。其次，它结构上遵循主从式思想，没有完全 组织开放系统互联标准模型；采用通用工作站克服专 用工作站的弊端；增加光纤接口，采用光纤作为通信 介质，以提高系统的抗干扰能力和本质安全；不断的 更新和完善应用软件使其更加适用于工业生产现场。 ２．发展趋势。虽然目前ＤＣＳ受到ＦＣＳ的强烈冲 击，但其仍然当前工业自动化系统应用及选型的主 流，不会随着现场总线技术的出现和发展而马上退出 现场过程控制的舞台。面对ＦＣＳ的挑战，ＤＣＳ将会沿着 以下几个方向继续不断的发展： １．智能化：数据库系统、推理机能的大幅度发 的信息层，只能部分代替现场总线。 ２．发展趋势。目前普工业以太网，面临一系列 的如确定性、实时性、安全性、抗干扰能力，现场设 备的供电问题、网线的物理性能提高等技术难题。因 此解决上述问题成为工业以太网技术发展的关键。 三、网络控制系统存在的问题及未来研究 的主要方向 网络控制系统作为一种新的研究课题，还有许多 问题需要进一步研究和解决。首先网络控制系统以网 络为基础，网络的性能直接影响ＮＣＳ系统的应用。另 展及知识库系统和专家系统的应用，为ＤＣＳ的发展提 供了基石。自适应控制、远距离诊断、自寻优，人工 智能将会出现在ＤＣＳ的各级中。 ２．综合化：通信网络和标准化数据通信链路的 发展，将各种单回路调节器、ＰＬＣ、ＳＴＤ总线、工业Ｐｃ 等工控设备与ＤＣＳ综合起来构成大系统，以满足工厂 自动化要求，并适应开发化的大趋势。 ３．工业ＰＣ化：ＰＣ化是未来ＤＣＳ发展的主要方向， 由ＴＰＣ组成ＤＣＳ成为一大趋势，使ＤＣＳ更加广泛地应用 于中小规模的过程控制。 （二）现场总线控制系统（ＦＣＳ） １．应用现状。现场总线发展迅速，处于群雄并 起、百家争鸣的阶段。目前已经开发出４０多种现场总 线。现场总线国际标准ＩＥＣ６１ １５８中采用了８种类型的 现场总线标准，容纳了８种互不兼容的协议，造成了 多种现场总线标准并存的局面。 ２．发展趋势。虽然ＦＣＳ的标准统一上还存在问 题，但是其发展却已是一个不争的实施。现场总线控 制系统体系结构正日益清晰，其网络结构趋于简单 化，大量采用成熟、开发和通用的技术，越来越多的 企业开始采用ＴＣＰ／ＩＰ协议，采用工业Ｐｃ甚至普通Ｐｃ作 为其操作设备，控制设备采用标准的ＰＬＣ或工业控制 计算机。构建新型的现场总线控制系统与传统的控制 系统想融合的局面。 （三）以太网 １．应用现状。工业自动化控制系统的网络结构 发展越来越分散化，系统越来越复杂，内部的连接越来 越高速化、紧密化，对驱动器和用户接口的需求越来越 多，使得具有高传输速率、高传输安全性和可靠、不需 要考虑网络的拓扑结构、不需要考虑网络的扩展的以太 网技术得到了广泛的应用。随着以太网交换技术的出 现，通过全双工交换技术，避免了以太网ＣＳＭＡ／ＣＤ的碰 撞缺陷，实现优先级机制及网络带宽的最大利用率和最 好的实时性能。使得以太网成为当今工业过程控制的主 流之一。但目前，以太网还只适合于工业控制网络系统 外作为一种控制系统，控制性能同样是非常重要的研 究内容，现有的网络控制系统模型和控制技术有各自 的优点。如何实现对基于网络的非线性动态系统建模 和控制、网络时延随机分布特性对控制系统性能的影 响等是今后研究的重点。安全机制及防范技术还不成 熟。总之，无论是从控制策略的设计还是从网络资源 的调度来看，ＮＣＳ的研究还远远不够，理论研究的进 展仍然不能与技术应用现状和迫切需求相适应。 四、结语 网络控制系统的发展是控制系统日趋复杂化的体 现，其理论基础跨越多个学科，应用范围遍及多个 领域。网络控制系统是计算机控制系统发展的必然趋 势，是生产过程和控制系统规模扩大化、复杂化的需 求。控制系统的大规模化和复杂化，要求网络进入控 制系统。同时，控制网络的存在又使得原有理论必须 在重新评估后才可继续在网络化控制系统中应用。受 计算机实时性要求影响而无法完全实现的复杂控制算 法，能够在网络控制系统的框架下，依靠计算机网络 系统上的资源得以实现。因此，网络控制系统可以不 依赖本地现场控制设备的有限资源，从而大大降低对 现场控制设备性能的要求，为高性能学习和低成本控 制的目标提供一种新的实现途径。ｏ 参考文献 【１】庞彦斌，等．现场总线与ＤＣＳ的网络集成Ｕ］＿测控技术， １９９９，（９）． ｆ２］吴誉，等．现场总线技术展望及我国的发展策略们．测控 技术，１９９９，（１１）． 【３】徐丰芹，徐湘元．网络控制系统综述Ｕ】＿自动化技术与应 用。２００７，２０（３）． 作者简介：李俊杰（１９８７－），男，贵州兴义人，华北电力大 学（保定）信息与计算科学专业学生；熊静（１９９０一），女，宁夏青 铜峡人，华北电力大学（保定）自动化专业学生。 （责任编辑：王书柏） ２０１ １ ０９ ｏ中固高新技豢企业１７