摘 要：通過比較的方式研究了目前幾種比較成熟的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的特點，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)絡控制系統(tǒng)的特點設計出針對具體應用場合的實施方案。目的是為了在目前各種網(wǎng)絡控制系統(tǒng)并存而又沒有制定出統(tǒng)一標準的情況下為各種不同的企業(yè)選擇適合自己的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)提供借鑒。 關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)（NCSs）; CAN; FF; PROFIBUS; LonWorks; 通信模型 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： [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。 　　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)應用特點分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA 3個兼容版本。[6] 　　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)和設備級分散I/O之間通信設計，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，提供大量的通信服務，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務，用于一般自動化控制。 　　PROFIBUS-PA：專為過程自動化設計，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)絡平臺技術(shù)，是國際上普遍用來連接日常設備的標準之一,它采用分布式的智能設備組建控制網(wǎng)絡，同時也支持主從式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。它支持各種通信介質(zhì)，該控制網(wǎng)絡的核心部分——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,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幀順序的無響應傳輸，提供錯誤檢測但不提供錯誤恢復能力;網(wǎng)絡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——響應機制，通過節(jié)點的連接來進行遠程數(shù)據(jù)服務;表示層和應用層提供網(wǎng)絡變量、顯示報文、網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡跟蹤、外來幀傳輸?shù)姆铡? 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)絡技術(shù)，也不足以構(gòu)成一個企業(yè)的控制網(wǎng)絡，比較適宜于作為控制網(wǎng)絡的節(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)絡化特征，也使各種網(wǎng)絡通信圍繞完成各種自動化任務進行。 　　這種網(wǎng)絡控制系統(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)絡通信能力又使它的各項自動化功能是通過網(wǎng)絡節(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)場設備開發(fā)中的設備描述（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。從站為外圍設備，沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予確認或當主站發(fā)出請求時向它發(fā)送信息。 　　FROFIBUS系統(tǒng)是比較完善的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，可以完成從設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)設計復雜，由于主從式的設計導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)場設備控制局域網(wǎng)絡變成一個借助廣域網(wǎng)跨越遠程地域的控制網(wǎng)絡，并提供端到端的各種增值服務。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應用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，LonWorks技術(shù)嵌入到現(xiàn)場設備中，使設備與設備之間保持對等的通信結(jié)構(gòu)。同時，這些控制網(wǎng)絡又通過各種互聯(lián)網(wǎng)的連接設備將控制網(wǎng)絡的信息通過互聯(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)應用相結(jié)合。 　　因此LonWorks網(wǎng)絡控制系統(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. 典型應用舉例 　　限于篇幅，這里列舉FF和LonWorks兩種網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的應用實例，以便更清晰地展現(xiàn)這兩種網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和特點。選擇這兩種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的原因正如前所說CAN并不是一個完整的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)而PROFIBUS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)又過于復雜，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)絡系統(tǒng)更具有典型性。 　　4.1 FF網(wǎng)絡設計 　　控制網(wǎng)絡的設計是FF應用系統(tǒng)設計的特色，圖2為一個工業(yè)現(xiàn)場典型的FF網(wǎng)絡系統(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)絡連接設備（作為網(wǎng)關(guān)）、網(wǎng)卡以及由現(xiàn)場總線連接的現(xiàn)場設備共同組成。 [align=center] 圖2 FF網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)成圖 Fig.2 The constitute of FF system[/align] 　　4.2 樓宇自動化抄表系統(tǒng)中的LonWorks網(wǎng)絡設計 　　該系統(tǒng)設計中采用了LonWorks的LNS客戶服務器構(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，負責一個單元或幾戶的水表和電表檢測。上位機采用客戶服務器結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫管理機作為網(wǎng)絡服務器，管理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，同時處理收費系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)絡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)絡服務器上的共享網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫進行網(wǎng)絡安裝和維護。本系統(tǒng)可以連接多臺客戶作為網(wǎng)絡管理，甚至通過internet對網(wǎng)絡進行管理維護。 [align=center] 圖3. LonWorks網(wǎng)絡在小區(qū)抄表自動化中的應用 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)絡技術(shù)與工業(yè)應用結(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)應該在了解自己的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟實力的基礎上，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)絡控制系統(tǒng)技術(shù)以及典型應用實例，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)代化建設貢獻出微薄的力量。 參考文獻: 　　[1] 陽憲惠.工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡[M].北京:清華大學出版社,2003.6. 　　[2] 彭晨,岳東.網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中基于時延辨識的模糊控制器研究[J].信息與控制,2004.33（5）:584-589 　　[3] 張云生.網(wǎng)絡控制系統(tǒng)[M].重慶:重慶大學出版社,2003.6. 　　[4] Feng-Li Lian, James Moyne, Dawn Tilbury. 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