网络化控制系统..doc

网络化控制系统——理论、技术及工程应用 （第一讲） 网络化控制系统概论 1.1网络化控制系统的产生与发展 随着计算机技术和网络通信技术的不断发展，工业控制系统也发生了重大的变革。网络化控制系统（Networked Control System, NCS）应运而生，其主要标志就是在控制系统中引入了计算机网络，从而使得众多的传感器、执行器、控制器等主要功能部件能够通过网络相连接，相关的信号和数据通过通信网络进行传输和交换，避免了点对点专线的铺设，而且可以实现资源共享、远程操作和控制，增加了系统的灵活性和可靠性（工程技术大系统：大型工业联合企业// 电力系统、水源系统、能源系统、交通系统、邮电系统、通信系统、大型计算机网、生产协作网等）。 在控制系统中使用网络并不是一个新的想法，它可以追溯到20世纪70年代末期集散控制系统（Distributed Control System, DCS）的诞生。DCS将控制任务分散到若干小型的计算机控制器（也叫现场控制站）中，每个控制器采用直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）的控制结构处理部分控制回路，而在控制器与控制器、控制器与上位机（操作员站或工程师站）之间建立了计算机控制网络，这种控制结构使得操作员在上位机中能够对被控制系统的实时运行状态进行监控，某个控制回路的控制策略的设计也可以在上位机中组态完成，通过控制网络下载到对应的控制器中实时运行。DCS大大提高了控制系统的可靠性（和DDC相比较），并实现了集中管理和相对分散控制。 随着处理器体积的减小和价格的降低，带有微处理器的智能传感器和智能执行器出现了，这为控制网络在控制系统中更深层次的应用提供了必要的物质基础，从而在20世纪80年代产生了现场总线控制系统（Fieldbus Control System,FCS）。FCS作为网络化控制系统的新技术把控制网络一直延伸到了产生现场的控制设备，信号的传输完全数字化，提高了信号的转换精度和可靠性，同时由于FCS的智能仪表（变送器、执行器）带有微处理器，能够直接在生产现场构成控制回路，控制功能也可完全下放，实现了完全的分散控制。 FCS技术经过20多年的发展，取得了很高的成就，在很多领域都得到了广泛的应用，但是仍然存在一些问题制约其应用范围的进一步扩展： 首先，现场总线标准的不统一，虽然目前的国际电工委员会（International Electro -technical Commission, IEC）组织已经达成了国际总线标准，但总线种类仍然有10余种，并且各厂家自成体系，不能达到完全开放，难以实现互换与互操作。 其次，现场总线仍是一种分层的专用网络，管理和控制分离，难以实现整个工厂的综合自动化及远程控制。 近十年来，以太网（Ethernet）技术的发展和广泛应用，已经使其从办公自动化走向工业自动化，从商业以太网发展到工业以太网，工业以太网也正在成为工业控制网络的主流技术。由于以太网具备开放性、价格低廉、软硬件资源丰富、通信速率高等特点，不但已经基本垄断了商业领域的网络通信市场，而且在工业控制领域也得到了大规模的应用。现在多个现场总线行业性组织都在进行将以太网用作工业网络的研究并推出了相应的解决方案，这些研究不仅仅是将以太网用作高层网络，而且希望将它直接和现场设备连接，实现所谓的“E网到底”。我国也开发了第一个拥有自主知识产权并被IEC认可的基于以太网的工业自动化标准（Ethernet for Plant Automation, EPA）。美国权威调查机构Automation Research Company的报告指出，今后以太网不仅将继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层通信市场，也必将领导未来的现场总线之发展，以太网将成为现场总线的基础协议。 信息时代的发展趋势必然是信息网络与控制网络的无缝集成，即控制网络不仅要向下层的现场设备层发展，同时也要与企业上层的信息管理层进行连接，目的是实现综合自动化系统中的资源管理层，监控执行层和现场设备层的互联与兼容，以保证信息准确、快速、完整的传输，为企业将管理决策、市场信息和生产控制等结合成一个有机的整体，进而实现上层的企业资源规划（Enterprise Resource Planning, ERP）创造条件。从这个角度讲，以太网“E网到底”的解决方案极大的简化了企业计算机网络系统（从信息网络到控制网络）的设计，提高了网络的可靠性，为企业形成统一的真正意义上的全开放网络化系统提供了技术支持。 由于互联网（Internet）技术的出现与发展，控制网络和互联网技术的结合已经成为了NCS新的亮点。互联网技术和企业以太网控制技术的结合能够