淺析網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)

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(1.中國(guó)軟件與技術(shù)服務(wù)股份有限公司，北京102200；2.三亞學(xué)院理工學(xué)院計(jì)算機(jī)系，海南三亞572022)

1.引言

在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，各個(gè)功能部件都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)連接的，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是模擬信號(hào)。這使得系統(tǒng)布線(xiàn)復(fù)雜，維護(hù)難，從而增加了系統(tǒng)成本，降低了系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性、靈活性以及擴(kuò)展性。特別是在地域分散的情況下，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的高成本、低可靠性等弊端更加突出。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及控制理論的發(fā)展，控制系統(tǒng)發(fā)生了巨大的變化，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其主要標(biāo)志就是在控制系統(tǒng)中引入了通信網(wǎng)絡(luò)，從而使得眾多的功能部件能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連接，相關(guān)的信號(hào)和數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和交換，避免了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專(zhuān)線(xiàn)的鋪設(shè)，而且可以實(shí)現(xiàn)資源共享、遠(yuǎn)程操作和控制，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性[1，2]。

2.網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的發(fā)展

最初的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)即在20世紀(jì)七八十年代占據(jù)了主導(dǎo)地位的控制系統(tǒng)是直接數(shù)字控制系統(tǒng)。直接數(shù)字控制系統(tǒng)特征是計(jì)算機(jī)直接參與到對(duì)象的遠(yuǎn)程的控制中，傳感器的模擬量輸出和執(zhí)行器的數(shù)字量輸入都是與數(shù)字計(jì)算機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。這種集中控制的體系結(jié)構(gòu)，就是全部的控制策略在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中完成。由于所有的控制功能集中在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)局部故障就會(huì)使得整個(gè)控制系統(tǒng)癱瘓。

隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了集散控制系統(tǒng)。它將控制功能分散到幾個(gè)小型的控制器中，并且每個(gè)控制器處理部分控制回路。這樣，局部出現(xiàn)故障不至于使得整個(gè)控制系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓。在20世紀(jì)八九十年代它在中國(guó)的工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，并占據(jù)主導(dǎo)地位。盡管在集散控制系統(tǒng)中引入了控制網(wǎng)絡(luò)，但由于當(dāng)時(shí)的傳感器和執(zhí)行器只能發(fā)送和接收模擬信號(hào)，所以在傳感器和控制器、控制器和執(zhí)行器之間仍然采用直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接方式，這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍屬于集中控制結(jié)構(gòu)。

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展、被控對(duì)象分散化和控制系統(tǒng)復(fù)雜化，控制系統(tǒng)中各個(gè)功能部件間需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越來(lái)越多，這種集中控制結(jié)構(gòu)使得控制系統(tǒng)逐漸顯現(xiàn)出一定的局限性，主要表現(xiàn)在布線(xiàn)復(fù)雜，系統(tǒng)的維護(hù)、升級(jí)、擴(kuò)展困難等。此外這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也不適合模塊化、分散化、綜合診斷、維護(hù)快速簡(jiǎn)易和低成本等一些新的技術(shù)要求。

在20世紀(jì)80年代興起的一種先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，即現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)，它是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的初級(jí)階段?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)出現(xiàn)以后，網(wǎng)絡(luò)化、分散化、智能化便成為控制系統(tǒng)發(fā)展的一種必然趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，雖然取得了一定的成就，并在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但是仍然存在一些問(wèn)題，制約著其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展。首先是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的選擇，雖然目前的國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)組織定義了統(tǒng)一的國(guó)際總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，但是總線(xiàn)的種類(lèi)仍然有十余種，并且各個(gè)廠(chǎng)家自成體系，不能達(dá)到完全開(kāi)放，難以實(shí)現(xiàn)互操作和互換。其次，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)仍是一種分層的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，管理和控制分離，難以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠(chǎng)的綜合自動(dòng)化以及遠(yuǎn)程的控制[3－7]。

3.網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的概念

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的概念簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將控制系統(tǒng)中各個(gè)功能部件，例如傳感器、控制器和執(zhí)行器連接形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)。由于通信網(wǎng)絡(luò)的引入使得網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)具有自己特征。

(1)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，這是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)最主要特點(diǎn)，正由于通信網(wǎng)絡(luò)的引入，將原來(lái)分散在不同地域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)，才打破了自動(dòng)化系統(tǒng)原有的信息孤島的僵局，為工業(yè)數(shù)據(jù)的集中和遠(yuǎn)程傳輸、為了控制系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的連接和溝通創(chuàng)造的了條件。

(2)信息數(shù)字化，與模擬信息相比，數(shù)字信息的抗干擾性強(qiáng)，傳輸精度高，傳輸?shù)男畔⒏迂S富。

(3)結(jié)構(gòu)層次化，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)是引入控制網(wǎng)絡(luò)后的另一個(gè)主要特點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，要完成底層的回路控制和順序控制，以及完成系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)視、參數(shù)調(diào)試等任務(wù)是通過(guò)處在不同層次的計(jì)算機(jī)完成。

(4)控制分散化與集中化相結(jié)合，這一特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)層次化的延伸。分層結(jié)構(gòu)確定了控制系統(tǒng)的金字塔型的整體框架，并且這種結(jié)構(gòu)完全符合企業(yè)生產(chǎn)的要求。在底層控制系統(tǒng)利用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了分布式控制，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的可靠性，在高層實(shí)現(xiàn)了對(duì)底層數(shù)據(jù)的集中監(jiān)視、管理，為上層的協(xié)調(diào)優(yōu)化、甚至對(duì)宏觀決策提供必要信息的支持。

(5)設(shè)備模塊化與智能化，模塊化主要體現(xiàn)在工業(yè)控制中，各種網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的硬件廣泛地采用了模塊化結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具有良好的靈活性和可擴(kuò)展性，進(jìn)而使系統(tǒng)的成本更低、體積更小、可靠性更高。軟件的模塊化使系統(tǒng)的組態(tài)方便、控制靈活、調(diào)試效率高、操作簡(jiǎn)單。智能化主要表現(xiàn)在控制系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化和控制算法與優(yōu)化算法的智能化。一方面，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不僅能夠完成傳感測(cè)量、回路控制等基本功能，還可以進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算、故障診斷等；另一方面，在高層網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)，為了先進(jìn)的控制算法的使用提供了條件，一些先進(jìn)的控制算法軟件包已經(jīng)被開(kāi)發(fā)并廣泛使用[8]。

(6)通信協(xié)議的漸進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化，在互聯(lián)網(wǎng)中，TCP/IP協(xié)議已經(jīng)成為了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，而在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一必將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。

4.網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的基本問(wèn)題

(1)共享資源的調(diào)度問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的調(diào)度可以分為基于CPU的資源的控制任務(wù)可搶占的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度和基于共享傳輸介質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸不可搶占的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度兩類(lèi)。它們的共同點(diǎn)是在于均受到共享資源的限制，主要區(qū)別在于是否具有搶占性。實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度主要考慮在多個(gè)控制任務(wù)共享同一CPU的情況下，如何設(shè)置處理器執(zhí)行各個(gè)控制任務(wù)的先后次序，以最大限度滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。各個(gè)控制任務(wù)不同的優(yōu)先級(jí)設(shè)置策略將會(huì)影響到其占用的處理器資源所處的地位。網(wǎng)絡(luò)調(diào)度涉及到網(wǎng)絡(luò)層的報(bào)文調(diào)度和應(yīng)用層上的控制任務(wù)的調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)調(diào)度主要考慮多個(gè)控制回路在共享的通信網(wǎng)絡(luò)的情況下，如何決定數(shù)據(jù)包的傳輸以滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

(2)時(shí)延，主要包括網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和計(jì)算時(shí)延，其中網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延影響系統(tǒng)最大也是研究熱點(diǎn)，它的產(chǎn)生主要是因?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)介入到控制系統(tǒng)中，它能夠降低系統(tǒng)的性能甚至?xí)鹣到y(tǒng)的不穩(wěn)定。在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的可能存在多種不同性質(zhì)的時(shí)延，屬于哪一種主要由網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議、帶寬，以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備性能等來(lái)決定。網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的存在使控制系統(tǒng)的分析變得非常復(fù)雜，雖然實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的分析和建模是近年來(lái)取得很大進(jìn)展，但是由于時(shí)延的不確定性，使得現(xiàn)有的方法一般不能直接應(yīng)用。

(3)數(shù)據(jù)包傳輸問(wèn)題，主要涉及到單包和多包傳輸。單包傳輸是指網(wǎng)絡(luò)化控制中的傳感器、控制器的一個(gè)待發(fā)數(shù)據(jù)被捆在一個(gè)數(shù)據(jù)包中一起發(fā)送，而多包傳輸是指網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的傳感器、控制器的一個(gè)待發(fā)數(shù)據(jù)被分成多個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)包的時(shí)序錯(cuò)亂，在網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下，被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)眾多計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備往往路徑不唯一，這必然會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的時(shí)序錯(cuò)亂。時(shí)序錯(cuò)亂使得原來(lái)的有一定的先后次序的數(shù)據(jù)包，在從源節(jié)點(diǎn)出發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)候，其到達(dá)的時(shí)序與原來(lái)的的時(shí)序不同。時(shí)序錯(cuò)亂必然導(dǎo)致該到達(dá)的數(shù)據(jù)包不能按時(shí)到達(dá)，使得控制系統(tǒng)不能及時(shí)應(yīng)用信息，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性。數(shù)據(jù)包丟失，在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，由于不可避免存在網(wǎng)絡(luò)阻塞和連接中斷，這又必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的丟失。雖然大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都具有重傳機(jī)制，但是它們也只能在一個(gè)有限時(shí)間內(nèi)傳輸，當(dāng)超過(guò)這個(gè)時(shí)間后，數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)基本上都是同步和定時(shí)系統(tǒng)，它可以對(duì)系統(tǒng)中參數(shù)或者未建模動(dòng)態(tài)具有較強(qiáng)的魯棒性，但是可能完全不能容忍數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的改變[8]。

(4)功能部件的驅(qū)動(dòng)方式，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的功能部件有兩種驅(qū)動(dòng)方式：時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)。時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)是指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在一個(gè)確定的時(shí)間到達(dá)時(shí)可以動(dòng)作，事件驅(qū)動(dòng)是指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在一個(gè)特殊事件發(fā)生時(shí)開(kāi)始動(dòng)作。傳感器一般采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，而控制器和執(zhí)行器既可以采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，也可以采用事件驅(qū)動(dòng)。一般情況下，控制器和執(zhí)行器采用事件驅(qū)動(dòng)優(yōu)于時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，因?yàn)檫@樣能夠及時(shí)利用信息，減少了時(shí)延。但是當(dāng)進(jìn)行多包傳輸或產(chǎn)生時(shí)序錯(cuò)亂時(shí)，事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制將變得很復(fù)雜，在設(shè)計(jì)上存在很大困難。

5.網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容

對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研究包括三個(gè)方面：對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的控制和著眼于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)總體性能指標(biāo)的綜合控制[9，10]。

(1)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制，這方面研究主要是圍繞網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、任務(wù)調(diào)度算法和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層協(xié)議等不同的角度提出的解決方案，以滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，減小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、時(shí)序錯(cuò)亂、數(shù)據(jù)包丟失等一系列問(wèn)題。它的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括網(wǎng)絡(luò)吞吐量、運(yùn)輸率、誤碼率、時(shí)延可預(yù)測(cè)性和任務(wù)的可調(diào)度性。

(2)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制，指的是在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件下，設(shè)計(jì)相適應(yīng)的控制器，保證網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)良好的控制性能和穩(wěn)定性。它可以通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型用控制理論的方法進(jìn)行研究。它的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性、超調(diào)和振蕩等。

(3)綜合控制，就是考慮在提高網(wǎng)絡(luò)性能和控制性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。一個(gè)合理的通信協(xié)議可以確保網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量；同時(shí)，只有充分考慮了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)的控制算法或控制器的設(shè)計(jì)方案，才能夠保證控制系統(tǒng)的整體性能。

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