（控制理论与控制工程专业论文）网格化控制系统性能分析与调度优化.pdf

上海交通大学博士学位论文 中文摘要 控制系统复杂化、网络化是工业控制系统发展的必然结果，是为适应企业对其生 产过程提出的更高要求而产生的集检测、控制、优化、调度、管理和决策等功能于一 身的高柔性、高效率、高质量的综合自动化系统。将通信网络引入控制系统，连接智 能现场设备和自动化系统，实现了现场设备控制的分布化和网络化，同时也加强了现 场控制和上层管理的联系，从而改善了生产过程的安全性、可靠性、效率和消耗等性 能。网络的引入，改变了控制系统信息的传递方式，也改变了控制系统的动态性能。 同时，在新结构下，为保证控制的实时性、安全性、可靠性等，控制系统对网络的运 行性能也提出了相应的要求。 本文就工业系统的网络化控制系统构造；既定网络体系结构下，网络化控制系统 的控制算法设计；网络性能的提高和优化等内容进行了研究，其主要工作包括； 1 从工业系统对其控制系统要求的角度出发，第一章分析了控制结构与其网络体系 结构问的关系及控制对网络运行性能的要求。进而针对工业控制网络中存在的几 种典型网络，从满足控制系统实时性、可靠性、安全性等要求方面对其通信协议 及其实现方式进行了系统地分析。 2 在给定网络和控制系统工作模式下，第二章建立了网络化控制系统的一类统一的 采样系统控制模型，通过本文提出的一种新的系统分析和综合方法，分别对工业 过程中普遍存在的两类被控对象( 线性系统模型和广义系统模型) 的网络化控制 系统的稳定性进行了研究，得到保守性较小的时延依赖的系统稳定性条件。 3 在系统稳定性研究的基础上，第二章还研究了给定最大网络时延条件下控制器的 设计问题，建立了网络化线性系统和网络化广义系统的镇定控制器的设计算法。 4 为确保控制系统的实时性、可靠性，从提高网络服务性能的角度，第三章到第五 章研究了网络调度问题。 在考虑控制系统性能、网络特性、网络带宽资源约束和数据传输实时性要求 等多种因素情况下从保证控制系统性能、优化带宽资源占用、公平服务等角 度研究了考虑调度抖动的网络化控制系统的带宽优化问题。以t o k e n 型和 c a n 型网络为例分别提出了相应的带宽调度策略，并对所提调度策略下网 络的稳定性和调度的可靠性进行了分析。 针对确定性竞争网络c a n 网，提出了一种新的基于模糊逻辑的分布式、 动态优先级闭环调度策略，从而在网络服务质量、带宽资源利用率和网络服 务范围之间寻求一种折衷。 为适应网络化控制系统中网络负荷的波动及数据服务需求的变动，研究了基 于n a s h 均衡和p a r e t o 优化的柔性调度策略及其参数优化方法，从而提高了 调度策略的适应性，实现了灵活、高效的网络服务。 关键词网络化控制系统，现场总线，工业以太网，实时性，可靠性，采样系统 稳定性，可调度性，优化，模糊逻辑，n a s h 均衡，p a r e t o 优化 第i 页 a b s t r a c t m o t i v a t e db yh i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t so ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，m o d e r nc o n - f r o is y s t e m sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l e xa n dn e t w o r k e dc o n t r o la l g o r i t h m s m o r ea n dm o r es o p h i s t i c a t e d ，s u c hi n d u s t r i a ln e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e r n sa r eo f i n t e g r a t e d w h i c hi n v o l v e sm e a s u r e m e n t ，p r o c e s sc o n t r o la n do p t i m i z a t i o n ，p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g ， m a n a g e m e n ta n dd e c i s i o n t h ef r a m e w o r km a k e si tp o s s i b l et os h a r ep r o c e s sd a t aa n d m a r k e t i n gi n f o r m a t i o np l a n t - w i d e l y , w h i c hi m p r o v e sa v a i l a b i l i t y ，o p e r a t i n gs a f e t y , r e l i a - b f l i t ya n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o no ft h ep r o d u c t i o n c l e a r ly ，i n t r o d u c i n gn e t w o r k sj n t o t h ec o n t r o ls y s t e m sc h a n g e sn o to n l ym e s s a g et r a n s m i s s i o nm o d e sb u ta l s od y n a m i c s o ft h ec o n t r o ls y s t e m s m o r e o v e r ，t og u a r a n t e er e a l - t i m e l i n e s s ，r e l i a b i l i t ya n do p e r a t i n gs a f e t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m s ，n e wr e q u i r e m e n t so fq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) w i l lb e i m p o s i n go nt h en e t w o r k s i nt h i st h e s i s s y s t e m a t i cw o r k so nt h ec o n f i g u r a t i o no fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e n l s t h ea n a l y s i sa n ds y n t h e s i sp r o b l e m sf o rt h en e t w o r k e dc o n t r 0 1s 3 ，s t e m sw e r ec o n s i d e r e d t h ei s s n e so fn e t w o r k sp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nw e r ea l s oa d d r e s s e d ，t h ec o n t r i b u t i o n s o ft h ew o r k sa r el i s t e di nt h ef o l l o w i n g 1 c h a p t e rtc o n c e r n e dw i t ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r u c t u r e so ft h ei n d u s t r i a l c o n t r o ls y s t e m sa n dt h en e t w o r k s t h ei s s u e so fr e a l t i m e l i n e s s ，r e l i a b i l i t ya n d s a f e t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m s ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dt h e i rr e a l i z a t i o n so f s o m et y p i c a li n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k sw e r ea l s os t u d i e di nt h ec h a p t e r 2 f o rd i f f e r e n tw o r k i n gm o d e so ft h en e t w o r k sa n dt h ec o n t r o ls y s t e m s ，g e n e r a l s a m p l i n g - d a t am o d e l sw e r ed e v e l o p e di nt h ec h a p t e r2 b a s e do nt h e s eh y b r i d m o d e l s ，t h es t a b i l i t yp r o b l e m sf o rt h en e t w o r k e dr e g u l a ra n ds i n g u l a rl i n e a rc o n t r o l s y s t e m sw e r ec o n s i d e r e d al e s sc o n s e r v a t i v et i m e - d e l a yd e p e n d e n ts t a b i l i t yw e r e o b t a i n e di nc h a p t e r2f o rt h es y s t e m sc o n s i d e r e d ， 3 m o r e o v e r ，w ea l s oc o n c e r n e dw i t ht h es y n t h e s i sp r o b l e m so ft h en e t w o r k e dr e g u l a r a n ds i n g u l a rl i n e a rs y s t e m sf o rt h ed i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e so ft h en e t w o r k sa n d t h ec o n t r o ls y s t e m si nc h a p t e r2 4 f r o mc h a p t e r3t oc h a p t e r5 ，t h en e t w o r ks c h e d u l i n gp r o b l e m sw e r ec o n s i d e r e dt o i m p r o v et h eq o so ft h en e t w o r k s ，a n dg u a r a n t e et h er e a l t i m e l i n e s sa n dr e l i a b i l i t y o ft h ec o n t r o ls y s t e m s s u b j e c tt ot h eb a n d w i d t hl i m i t a t i o na n dt h er e q u i r e m e n to fr e a l t i m et r a n s m i s - s i o n ，ai i t t e r - d e p e n d e n tb a n d w i d t ho p t i m i z a t i o np r o b l e mf o rn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m sw a sc o n s i d e r e dt og u a r a n t e et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o ls y s t e m s ， r e d u c et h eb a n d w i d t ho c c u p a n c ya n dr e a l i z et h es e r v i c ef a i r n e s s t a k e nt h e t o k e n b a s e da n dc a n b a s e dn e t w o r k sa se x a m p l e s ，s c h e d u l i n gs c h e m e s ，t h e i r r e l i a b i l i t ya n dn e t w o r ks t a b i l i t yw e r ec o n s i d e r e d ，r e s p e c t i v e l y an e wc l o s e d l o o p d i s t r i b u t e dp r i o r i t yf u z z ys c h e d u l i n gw a sp r o p o s e df o rc a n n e t w o r k s 。w h i c hm a k e saw e l lt r a d e o f f b e t w e e nt h eq u 越i t vo f s e r v i c e b a n d w i d t h u t i l i t yf n e t w o r ks c h e d u l a b i l i t y ) a n dt h es e r v i c er a n g eo ft h en e t w o r k s 第i i 页 上海交通大学博士学位论文 b a s e do i ln a s he q u i l i b r i u ma n dp a r e t oo p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，f l e x i b l es c h e d u l - i n gs c h e m e sw e r ed e v e l o p e dt oa d a p tt h ef l u c t u a t i o no ft h en e t w o r kl o a da n d t h ec h a n g eo ft h es e r v i c er e q u i r e m e n t s ，w h i c hi m p r o v e st h ea d a p t a t i o no ft h e s c h e d u l i n ga n dp r o v i d e sah i 曲e f f i c i e n ta n df l e x i b l en e t w o r ks e r v i c e k e y w o r d sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，f i e l d b u s ，i n d u s t r i a le t h e m e t ，r e a l - t i m e ，r e - l i a b i l i t y , s a m p l i n g - d a t as y s t e m ，s t a b i l i t y , s c h e d u l a b i l i t y , o p t i m i z a t i o n ，f u z z yl o g i c ，n a , h e q u i l i b r i u m ，p a r e t oo p t i m i z a t i o n 第i i i 页 上海交通大学学位论文答辩决议书 申请者白涛 | | 所在学科( 专业) 控制理论与控制工程 论文题目网络化控制系统性能分析与调度优化 答辩日期 2 0 0 5 0 7 2 2 | |答辩地点l 浩然大厦1 4 层自动化系会议室； 答辩委员会成员 担任职务姓名职称所在工作单位 l备注 签名 主席邵世煌教授东华大学博导 舭捌 委员何国森教授上海大学博导 确蔼耗 委员王行愚教授华东理工大学 |博导 上捌授 委员席裕庚教授上海交通大学博导 庞燃j 委员邵惠鹤教授上海交通大学博导 一燃 委员吴智铭教授上海交通大学博导 髓黪l 委员汪小帆教授上海交通大学博导 隐堑诋| | 评语和决议： 控制系统向网络化发展是现代信息技术与自动化系统结合的结果，是近年控制领域中 的一个热点方向。自涛的博士论文对网络化控制系统的性能分析和调度优化问题进行了研 究，论文选题具有重要理论意义和实用价值。 、 论文对网络化控制系统的形成、现状以及策略进行了综述、分析；建立了网络化控制， 系统的一类采样系统控制模型，提出了一种新的系统分析和综合方法，得到保守性较小的 时延依赖的稳定条件，给出了相应的控制算法；研究了网络化控制系统带宽馋传问堙i 分 别针对t o k e n 型和c a n 型网络提出了带宽调度策略，分析了系统的稳定性和调度的可靠性； 对c a n 网络提出一种基于模糊逻辑的分布式、动态优先级闭环调度策略，在网络服务质量、 带宽资源利用率和网络服务范围之间寻求折衷：提出了基于n a s h 均衡和p a r e t o 优化的柔性 调度策略及参数优化方法。 论文立论正确，分析严谨，条理清晰，实验数据可靠，成果有创新性。论文工作表明 午隹者芦。绨堂棍太专q p 的曙章旨广的基础理论和系统深入的专门知识，有独立从事科学研究 的能力。 在答辩过程中表述清楚，能正确回答所提问题，经答辩委员会无记名投票，一致通过 博士论文答辩。建议授予工学博士学位。 答辩委员套觚名， a 拶拶。日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签 饧结 日期：叩年2 月i目日期：硼年g 月日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做作者签名：翎纷 日期：w 矽f 年g 月f 日 第一章绪论 市场全球化和现代化大工业生产的出现和发展使工业生产过程发生了巨大的变化。高效 率、高质量、低消耗、柔性生产的全球市场需求给企业的生产、经营和管理等带来了严峻的挑 战，使得企业对其生产过程的安全、可靠、高效、优质、低耗等要求不断提高，从而对控制系 统也相应地提出了更高的要求。开发集检测、控制、优化、调度、管理和决策等功能于一身的 高柔性、高效率、高质量的综台自动化系统已成为企业提高经济效益、产品质量和市场竞争力 必不可少的手段之一。自动化技术、网络通讯技术、电子技术和计算机技术的迅猛发展及其交 叉、结合为实现高水平的自动化控制提供了强有力的技术支持。 1 1 控制系统的发展趋势 控制系统的发展已经历了人工控制、模拟仪表控制、计算机集中控制、集散控制( d c s ) 和以现场总线( f i e l d b u s ) 及工业以太网为基础的网络化控制系统五个发展阶段 2 7 ，9 2 】。 2 0 世纪5 0 年代以前的控制系统都是模拟量控制系统，由于实际条件的限制，它只能实现 比较简单的如单参数的p i d 调节的闭环控制、简单的串级和前馈控制功能。7 0 年代，随着计 算机技术的出现和成熟，计算机集中控制系统得到应用，它不仅可以实现简单的p i d 控制， 而且可以实现诸如多变量解耦控制、最优控制等复杂的控制运算。但集中式的控制方式存在着 高度的风险，一台计算机的故障将导致整个控制系统的瘫痪甚至崩溃。随着数字调节器、可 编程控制器( p l c ) 等新型控制设备的出现及其性价比的大幅提高，由多个控制设备递阶构成 的集中、分散相结合的d c s 控制系统应运而生，由于测量变送仪表一般为模拟仪表，而控制 器是数字的，因此它是一种模拟数字混合系统。d c s 系统可以实现装置级、车间级的优化控 制，既具有计算机集中控制系统的控制算法先进、精度高、响应速度快和组态灵活等优点，又 可满足安全可靠、维护方便、风险相对分散等要求，因而得到广泛应用。但由于各d c s 产品 无法互联互换，互操作性差，间接地提高了系统成本，限制了用户的选择余地。同时由于系 统只有一个主节点，无法构成多机冗余，造成系统的可靠性低：中心控制室和现场仪表之间一 对一的连接方式，需耗费大量的信号电缆。d c s 系统一般自成体系，难以实现设备间以及系 第1 页 第一章绪论 统与外界闻的信息交换，形成一个个的“信息孤岛”，从而阻碍了整个企业的信息集成。 进入8 0 年代后期，随着网络技术、通讯技术、计算机技术以及集成电路技术的发展，出 现了一种以现场总线及工业以太网为基础的新型控制系统。这种网络化的控制系统充分体现了 “信息集中，控制分散”的思想，具有如下特点 2 7 ，9 2 1 1 多层次、全分布、开放式的网络集成系统； 2 控制功能分散化及综合自动化功能的实现，降低了风险，大大提高了控制系统可靠性； 3 ，系统自检和评估、故障诊断与处理能力，大大节省了设备与系统的维护费用； 4 全数字的通讯方式，使系统抗干扰能力强、信号传输精度及可靠性高、易于复用和冗 余，从而提高了系统运行的可靠性； 5 基于标准的、统一的数据与软硬件接口，不同厂商的现场设备、各子系统可互联互换， 可方便共享网络数据资源，系统的互操作性好，易于统一组态； 6 成本低、体积容量比低，所有的智能节点都通过同一个串行通讯网络与其他节点和上位 机通讯，可以降低大约8 0 的布线费用：与d c s 系统相比，平均每个设备可省5 0 美 元；与模拟技术相比，安装费用省1 5 。 1 2 监管控一体化 传统的面向单个设备、单个车间的自动控制系统正发生着全面而深刻的变革，已逐渐演变 为面向整个工厂、整个企业的数字化、智能化、开放式和网络化的新型控制系统。现代大工业 对生产过程的安全、高效、优质、低耗等要求，及追求的经济效益的不断提高，对控制的要求 也越来越高；同时，现代工业中经常存在着诸如多变量强耦合、非线性、大时滞、不确定性和 多控制目标等特征，并受到多种苛刻的生产条件约束，更重要的是它们大多是生产过程的核心 部分，直接影响到产品的质量、产率和消耗等有关指标，因而给控制带来很大困难。此外，使 用常规的控制技术更难以实现面向全装置、全过程、全企业的控制、监测与管理等要求。 实施监、管、控一体化的先进控制，是提高生产过程操作和控制的稳定性、安全性、保证 产品质量、目标产品的收率并节能降耗，达到提高综合经济效益的重要措施。在过程工业中， 自动控制技术通常分为三个层次i l7 ： 第2 页 上海交通大学博士学位论文 基础调节层执行诸如p i d 算法等常规调节控制，基本上是单回路控制，还可以实现串级、比 值、前馈、均匀等复杂控制； 先进控制层先进控制一般通过改变一组常规调节控制回路的设定值来发挥其控制作用，其目 的是协调过程变量的交互作用，克服基础调节控制一对一故此失彼的缺陷，使生产过程 操作更接近于过程约束，进行卡边操作和最佳单元操作； 优化控制层综合分析影响整个装置效益的各种因素，把整个工艺过程的经济效益与装置操作 直接连接起来，确定过程整体的最佳工艺运行状态，产生最好的经济效益。 基础层的智能化与先进控制的实施，可以改善过程动态控制的性能，减少过程变量的波动幅 度，使之更接近其优化目标值，从而将生产装置推向更接近其约束边界条件下运行，达到增强 装置运行稳定性和安全性，保证产品质量的均匀性，提高目标产品收率，增加装置处理量，降 低运行成本，减少环境污染等目的。 可以看出，工业控制是分层的，且是分布的，也就是说控制系统应采用网络化的结构， 其具体实现如图1 - 1 1 8 1 1 所示。这种网络化的控制结构为提高工业系统、工业过程运行的安全 性、可靠性和经济性提供了必要的物质基础。 图1 - 1 西门子p c s 7 控制系统 f i g 1 - 1s i m a t i cp c s 7 除传统的控制意义以外，现代控制系统还必须包括对设备、控制系统和过程运行状态、状 第3 页 第一章绪论 况及性能等的监测和评估。这是一种提高设备、生产过程维护水平，减少停工时间，降低设备 成本，从而提高企业经济效益的有效手段。对工业过程实施实时监测与评估已经引起了工业界 与学术界的广泛重视，并已有很多成功的工业应用范例。 应该指出的是这里所提及的管理并非传统意义上对企业资源和生产的管理，而是现代很多 工业系统中出现的一种用于调节被控对象输出、协调各控制子系统运行的设备。例如在大型空 气压缩机系统中就有所谓的空压机管理系统，如图1 - 2 1 5 1 所示。 大型空压机系统主要由大型空压机机组和储气罐机组组成。原有的系统设计中，通常对空 压机和储气罐采用单独控制方式，以满足用户对动力气源的气压和流量的需求。在现代控制 中，利用空压机管理系统，可根据用气点对气压、流量的要求来协调空压机各子系统( 如：空 压机、储气罐) 的启停和运行，从而到达经济、高效运行的目的。另外一个例子是汽车电子控 图1 - 2 空压机管理系统 f i g 1 2a i rc o m p r e s s o rm a n a g e rs y s t e m 制系统中的发动机管理系统，如图1 - 3 所示，其中主要包括气缸进气量控制子系统、空燃比子 系统和点火子系统。其主要作用是为调节发动机的输出扭矩，而影响发动机输出扭矩的各个因 素都是由发动机各个管理子系统控制的。传统发动机是根据油门踏板直接控制节气门的开度， 而带电子加速踏板的b o s c h 发动机管理系统是根据目标输出扭矩的大小来确定所需的气缸进气 量，并由气缸进气量控制子系统决定发动机的节气门开度；在此基础上，空燃比子系统确定所 需的燃油量、喷油时间和最优喷油角；进一步地，由点火子系统确定一个相应的最佳点火角。 第4 页 上海交通大学博士学位论文 窒量量 广 燃烧 发动机 离合器驱动 麴黝机p 乍强产砸孕吨争坦 一i if 负荷变化和摩擦力 lll 辅助系统 ijf 离合器损失i 变速器损失和传动比l 图1 - 3 发动机管理系统 f i g 1 3e n g i n em a n a g e rs y s t e m 这种结构化的管理系统实现了分布式的协同管理。在汽车电子控制系统中，类似的管理系统还 有动力总成管理系统等 8 。其具体构成是通过c a n 网实现的，如图1 4 所示，通过网络化的 汽车控制，可以改进和增强汽车的驾驶性、稳定性、方向性和防撞能力。在工业上另一个重要 图1 - 4 网络化汽车控制系统 f i g 1 - 4n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mf o rc a r 的系统是电站保护系统。众所周知，电站的安全可靠运行是电厂( 尤其是核电厂) 的重要要 求，而电站的保护系统是通过对电站设备、控制系统和运行过程的多层保护来确保电站安全可 第5 页 第一章绪论 靠运行的。 为实现上述各种复杂的系统功能，需要有网络这个信息载体对全局系统的现场数据、信息 进行融合、综合。 1 3 网络化控制系统的支持技术 网络化控制系统的实现归根结底得益于先进优化控制与实时监测、现场设各智能化和网络 实时通信等技术的进步。先进优化控制与实时监测技术是网络化控制系统的灵魂，智能化现场 设备实现了基本控制功能的下移，实时通信网络( 工业以太网和现场总线技术) 的发展和成 熟，解决了网络化控制系统的实时性、可靠性和开放性等问题，使控制系统的分层、分布成为 现实，从而为控制与监测技术在工业系统更广范围内的应用提供了必要的物质基础。 1 3 1 智能化的现场设备 近十年来，工业自动化仪表与装置等现场设备实现了数字化、智能化、网络化并在性能 上向高精度、高可靠性、高环境适应性的方向发展【9 6 。具体有如下四方面的变化【9 6 ： 1 以现场总线为基础的智能化现场仪表具有多功能、智能化、可组态、自诊断、可 互操作、可双向通信等特点。目前影响较大的现场总线通信协议有：f f ( f o u n d a t i o n f i e l d b u s ，基金会现场总线) ，p r o f i b u s ，l o n w o r k s ，以及基于c a n 的现场总线系列。 2 启用新型智能模块，如：专家系统、模糊控制、预测控制、神经元控制等，从而使控制 系统得以充分地发挥其能力和潜质。 3 自动化仪表与婕置在其自身智能化的基础上，通过现场总线、i n t e r n e t 或i n t r a m e t 等通 信网络与计算机管理系统相沟通，构成控制与管理一体化的c i p s ( 计算机集成过程系 统，c o m p e e ri t e g r a t e dp r o c e s ss y s t e m s ) 。因此，今后为形成该类系统的各种网关、 网桥，卧及各种大型商品化的监视、优化、调度、管理软件也将不断涌现。 4 在发展通用、普及、标准产品的同时，”号用控制装置”( 如：工业锅炉、药业反应器 等) 和“特种检测仪表”( 如黏度、浊度等) 的开发和应用将受到关注。在需要特殊检 测的场台，软测量技术也是常被采用的技术之一。 测的场台，软测量技术也是常被采用的技术之一。 第6 页 上海交通大学博士学位论文 智能化现场设备一般分散在工业控制现场，直接采集生产现场的生产数据，并通过网络接 口传输到其他智能化现场设备或上位机。智能化现场设备间的网络通信能力保证了基本的底层 闭环控制算法的实现。同时，这种功能自治的特性使得即使在上位机发生故障时，底层的控制 算法仍能保证生产的继续进行，从而避免了整个控制系统的瘫痪，提高系统的可靠性。 1 3 2 现场总线和工业以太网 作为信息传输的载体，网络的实时性、安全性、可靠性和环境适应性等性能直接影响到整 个网络化控制系统的性能。表1 - 1 是当前世界上比较流行的几种现场总线及工业以太网f 5 】。 表i - i当前世界上比较流行的现场总线及工业阻太网 i 扎i lf i e l d b u sa n di n d u s t r i a le t h e r n e to ft h em a j o rb u st e c h n o l o g yo r g a n i z a t i o n s 组织机构现场级 远程v o 级 以太网级 o d v a ( o p e nd e v i c e n e tv e n d e r s a s s o c i a t i o n 。开放d e v i c e n e t 供应商协会) d e v i c e n e tc o n t r o l n e t e t h e r n e t i p m o d b u s - i d a ( i n t e r f a c ef o rd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o n ，分布式自动化接口组织) m o d b u s r t u m o d b u s t c p p n o ( p r o f i b u s 国际组织】 p r o f i b u s p ap r o f m l l s - d pp r o f i n e t f i e l d b u sf o u n d a t i o n ( 现场总线基金会)f fh 1f f h s e s b r c o ss e r c o s i i i 1 现场总线 根据i e c 6 1 1 5 8 标准，现场总线是：“安装在制造和生产过程区域的现场设备与控制室内 的自动化控制装置、系统之间的一种串行、数字式、多点通讯的数据总线”。或者说，现场总 线以单个分散化、数字化、智能化的现场设备作为网络( 智能) 节点，通过总线连接实现信息 的交换、协同完成自动控制功能。现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技 术，可以实现高度灵活、高可靠性的分散控制。同时，作为工厂信息网络集成系统的底层通信 网络，一方面它实现了不同网段、不同现场设备间的信息共享，另一方面通过与上层管理控制 网的连接，沟通了底层与上层的联系，从而实现全厂的信息共享。 下面从实时性、安全性、可靠性和环境适应性等性能保证的角度分析现场总线的原理。 a 实时性的保证 5 ，1 3 ，1 6 ，1 7 ，2 1 ，3 3 ，5 0 ，6 5 ，s 2 控制系统的实时性要求反映了对响应时间和巡回时间的要求，其中响应时间是指变送器 第7 页 第一章绪论 将现场数据传输到网络上或执行机构接收到该现场数据马上执行所需的时间；巡回时间 指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。通常，制造自动化系统的响应 时间要求在0 0 1 0 5 s ，过程控制系统的响应时间为0 5 2 s ；而信息网络的响应时间则是 2 6 s 。因此，工业控制网络的实时性要求较高。实时性要求的实质是控制系统对于网络 时延的限制，而网络时延与网络的传输速率、数据帧的大小、所采用的通信协议、拓朴 结构、路由算法、网络当时的负载状况等诸多因素有着密切的关系。 现场总线从以下几方面入手保证实时性。 a 协议结构 当前世界上流行的各种现场总线的协议体系大多以国际标准化组织( i s o ) 的开放 系统互联协议( o s i ，o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 的七层模型为参考，但仅实 现o s i 模型的一个子集，并根据需要进行适当地扩充。如：p r o f i b u s d p p a 只定 义o s i 中的物理层、数据链路层，并增加用户层；c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 只实现o s i 中的物理层、数据链路层和应用层；f f 的协议体系中包括物理层、数 据链路层和应用层，并在应用层上增加用户层。这种网络层次的简化，降低了操作 的复杂性，减少了层次协议的操作时间，从而确保数据传输的快速性。 b 传输速率 现场总线的传输速率与采用的传输技术及其传输距离有关。如：p r o f i b u s 现场总线 提供了k s 4 8 5 传输、i e c l l 5 8 2 传输和光纤传输三种传输技术。其中p r o f i b u s d p 采用r s 4 8 5 传输技术，其传输速率与传输距离有关，为9 6 k b p s 一1 2 m b p s 相应 的最大允许传输距离为1 2 0 0 m 一1 0 0 m ；p r o f i b u s - p a 采用i e c l l 5 8 2 传输技术，传 输速率为3 1 2 5 k b p s ，最大传输距离2 0 0 0 m 。f f 现场总线采用i e c i l 5 8 2 传输技 术，分为低速h 1 和高速h 2 两种通信速率，其中h i 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，对 应最大传输距离为1 9 0 0 m , h 2 的传输速率为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，对应最大传 输距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。c a n 总线采用平衡差分技术，其传输速率分为低速 1 2 5 k b p s ，高速1 m b p s ，对应的最大传输距离分别为4 0 0 m 和4 0 m 。 c 数据帧 协议结构层次的简化使数据帧的头开销减少，同时通过限定数据帧中有效数据域 第8 页 上海交通大学博士学位论文 的字节数量，使得现场总线的数据帧较短，从而缩短了数据帧的传输时间。如： 以太网数据帧的头开销为2 6 b y t e s ，有效数据域为4 6 1 5 0 0 b y t e s , 其数据帧长为 7 2 1 5 2 6 b y t e s 而现场总线数据帧的长度则短得多，c o n t r o l n e t 数据帧的头开销为 7 b y t e s ，有效数据域为0 一5 1 0 b y t e s ，其数据帧长为7 5 1 7 b y t e s ；d e v i c e n e t ( c a n - b a s e db u s ) 采用短帧结构，其头开销仅为4 7 b i t s ，有效数据长度为8 b y t e s 。 d 网络拓扑结构 现场总线的网络拓扑具有总线型、星型、树型等多种形式，但大部分现场总线为总 线结构。总线型的拓扑结构可以避免与路径有关的几层通信协议的路由操作，从而 益于改善实时性。 e 通信及调度方式 现场总线结构上采用“多主”的通信模式，通过网络管理和数据链路调度技术保证 数据传输的实时性。为解决介质访问时的冲突问题，介质存取控制( m a c ，m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议主要采用非破坏性竞争、循环或预约方式。如：p r o f i b u s 的总 线存取控制协议是一种混合的协议，包括主站间的令牌传递方式，和主站和从站间 的主从方式；而c a n 采用了基于c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o na v o i d e n c e ) 的非破坏性总线仲裁技术作为存取控制协议。传输时延的有 界性可以实现对系统各主、从站点通信任务完成所需时间的确切估计，从而在系统 设计阶段就可根据系统各部分的不同实时性要求确定所需的网络类型及结构。 b 可靠性的保证 5 ，1 3 ，1 6 ，1 7 ，2 1 a 系统结构 通过现场总线将现场设备连接在一起，形成高度分散的控制系统体系，简化了系统 结构，提高了可靠性。同时，现场设备与连线的减少，也降低了因接线点引起的不 可靠因素的发生。 b 信号传输 全数字化的信号传输方式提高了测量和控制的精确度，易于实现信号的检错、纠错 机制，因此抗干扰能力强、传输精度高、鲁棒性好，也即网络信号传输的可靠性 第9 页 第一章绪论 高；而且，易于实现多参数传输，它不仅可以传输现场设备的测量、控制信号，还 可以传输设备参数、状态和故障等信息。多种类系统信息的提取、传输和获得为系 统功能的增强奠定了基础。 c 系统功能 智能化现场设备的网络式连接，为系统功能的加强奠定了基础。现场设备可以完成 数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能，并具有在线故障诊断、报警、 记录等功能，提高了系统工作的可靠性；通过对现场设备的远程参数设定、修改等 参数化工作，也提高了系统的可维护性。 c 安全性的保证f 5 ，1 3 ，1 6 ，1 7 ，2 1 】 安全性就是要求现场总线解决防爆问题。目前电气设备普遍采用的防爆技术有：隔离 ( e xd ) 、本质安全( e x i ) 、正压( e x p ) 、浇封( e x m ) 和无火花( e x n ) 等。本 质安全技术采取抑制点火源能量作为防爆手段，本安设备具有结构简单、质量轻、体积 小、成本低等特点，且可实现带电维护、更换和在0 区危险场所的应用，安全可靠性 高、适用范围广，所以成为最为理想的防爆技术。实现本质安全的关键技术是低功耗技 术和本安防爆技术。 总线供电可为本质安全环境的低功耗现场仪表或现场设备提供电源，即，允许现场装置 直接从数据通信线上获取能量。由于总线的操作电源来自单一供电装置，它不再需要绝 缘和隔离装置；且即使在潜在的爆炸区，设备在操作过程中进行的维修、接通或断开也 不会影响其它站点，从而满足工业现场环境使用要求及本安防爆要求。现场总线的总线 型网络拓扑结构也易于实现通信线供电和解决决本安防爆等问题。根据i e c l l 5 8 - 2 标 准p r o f i b u s p a 可通过总线完成现场设备的远程供电，并实现防爆型本质安全或非本质 安全操作：f f h 1 支持总线供电和本安防爆，可实现现场仪表级的网络联接。 d 应用与环境适应性的保证 5 ，1 3 ，1 6 ，1 7 ，2 1 】 现场总线支持多点连接和通信，多个现场设备可以方便地挂接在同一根通信线上并相互 通信，而不需要通过局网交换机转接或通信：同时现场设备可灵活地接入、剔除或更 换。如：p r o f i b u s 允许单网段连接3 2 个站( 不带中继) ，最多可连接1 2 6 个站( 带中 第1 0 页 上海交通大学博士学位论文 继) ；c a n ( d e v i c e n e t ) 最多可挂接1 1 0 个站。不用总线供电时，f f h i 总线可挂接 2 3 2 台设备，在有总线供电或本安防爆要求时，f f - h i 总线可挂接2 6 台设备。 现场总线支持远距离通信，单网段最大距离可达2 0 0 0 m ，通过中继器连接通信距离可再 扩大几倍，因此，可覆盖较大范围的工业现场及其设备。如f f - h 1 以带屏蔽双绞线为通 信电缆，其单网段最大允许长度为1 9 0 0 m ，可通过最多4 个中继器扩展，因此，其最大 总线长度可达9 5 0 0 m 。 环境适应性问题包括以下几方面： a 电磁环境适应性：电磁辐射干扰( 噪声干扰) 和电源干扰( 串扰) ； 电磁辐射干扰主要来自于工业现场的各种用电设备，它在通信线上产生感应电势等 噪声干扰使系统不能正常工作。电源干扰的主要原因是设备的电源电路不够理想， 如两台设备所用的电源不同相；设备接地不好；或者两台设备处在不同的电力分布 网，地电位不同等原因在两台设备之间产生地电位差而形成串扰。 b 气候环境适应性：耐温、耐腐、防水、防尘； c 机