（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统实验平台设计及控制方法研究.pdf

a b s t r a c t t h i s p a p e ri s b a s e do nt h e p r o j e c t i n t e l l i g e n t c o n t r o l t h e o r y a n dm e t h o d r e s e a r c ho nn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ”w h i c hi sf u n d e db yt h en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o n a sap a r to ft h ep r o j e c t ，s o m ec o n t e n t s ，p r o b l e m sa n dr e c e n t r e s e a r c h e so nn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e rf i r s t i no r d e rt o r e d u c et h eo e e u p m i o no fn e t w o r kb a n d w i d t h ，am e t h o dw h i c hf i n d st h em a x i m u m t r a n s m i tt i m ec a ng u a r a n t e et h es t a b i l i t yo fd i s c r e t ec o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e d f o r t h es a k eo fs t u d y i n gt h en e t w o r k sd e l a yi n f l u e n c eo nc o n t r o ls y s t e m ，an e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e me x p e r i m e n ts o f t w a r es c h e m ei sp u tf o r w a r di nt h el a s tp a r to f t h ep a p e r n o wt h es o f t w a r ec a nr u n s u c c e s s f u l l ya n d c a n c o m p l e t e t h es c h e d u l i n gf u n c t i o n s k e y w o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，n e t w o r ki n d u c e dd e l a y , e x p e r i m e n t p l a t f o r m ，c a nb u s ，t c p i p ，i n t e r n e tp r o g r a m m i n g i i 硕士论文 网络控制系统实验平台设计及控制方法研究 1 绪论 1 1 网络控制系统的产生及其特点 随着科技的不断进步和社会生产力的不断发展，控制系统的结构也日益变得复 杂。就控制对象来说，从以前的单变量线性对象逐渐变为多变量非线性对象：控制 目标或任务也由单一变为多个；执行控制的器件也发生了很大的变化，由独立的模 拟元器件变为现在的大规模集成电路和计算机控制。这样一来，控制系统各部件间 要交换的信息就更多了。目前一般的控制系统结构如下： r l 广_ ：_ 厂 广 厂y ， _ = 二二二控制器1 叫执行器1 叫卜一一_ 传感器1 卜厂二一- r 2n rj | r 一 y o i i = j 控制器2 卜一执行器2 卜一1 对象卜一1 传感器2 干 【r ： ； ； l ：n 一一， 一、v 【 i1 一j 控制器n 厂- 一 执行器n 一hl i 传感器。 i ! 1 i】l 一一- j 一一 1 图1 1 传统控制系统结构图 由图1 1 所示，传统控制系统的连接繁杂，维护、升级、改进这样一个控制系统 比较困难。系统的某个部件出了故障也很难检测到，要维护这样一个控制系统，工 作量大，费用也较高。 随着控制科学和计算机网络及通讯技术的飞速发展，信息的网络化和智能化给 自动化技术带来深远的影响。目前出现了将网络技术应用到控制领域的新的研究方 向，即网络控制系统( n e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m ，n c s ) ，为克服上述传统控制系统 存在的缺点提供了一条有效途径。网络控制系统通过实时网络闭合形成反馈，每一 个直接与网络相连的部件称为一个节点。网络控制系统的结构如下： i 1 控制器li 执行器 。f 一。1 _ | ，一j j 系统ld 传感器 通信网络 ，。!i。一一一 f 执行器r _ 一系统f l r - 一一一 图1 2 网络控制系统结构图 一j 传感器i 硕士论文 网络控制系统实验平台设计及控制方法研究 1 绪论 1 1 网络控制系统的产生及其特点 随着科技的不断进步和社会生产力的不断发展，控制系统的结构也日益变得复 杂。就控制对象来说，从以前的单变量线性对象逐渐变为多变量非线性对象：控制 目标或任务也由单一变为多个；执行控制的器件也发生了很大的变化，由独立的模 拟元器件变为现在的大规模集成电路和计算机控制。这样一来，控制系统各部件间 要交换的信息就更多了。目前一般的控制系统结构如下： r l 广_ ：_ 厂 广 厂y ， _ = 二二二控制器1 叫执行器1 叫卜一一_ 传感器1 卜厂二一- r 2n rj | r 一 y o i i = j 控制器2 卜一执行器2 卜一1 对象卜一1 传感器2 干 【r ： ； ； l ：n 一一， 一、v 【 i1 一j 控制器n 厂- 一 执行器n 一hl i 传感器。 i ! 1 i】l 一一- j 一一 1 图1 1 传统控制系统结构图 由图1 1 所示，传统控制系统的连接繁杂，维护、升级、改进这样一个控制系统 比较困难。系统的某个部件出了故障也很难检测到，要维护这样一个控制系统，工 作量大，费用也较高。 随着控制科学和计算机网络及通讯技术的飞速发展，信息的网络化和智能化给 自动化技术带来深远的影响。目前出现了将网络技术应用到控制领域的新的研究方 向，即网络控制系统( n e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m ，n c s ) ，为克服上述传统控制系统 存在的缺点提供了一条有效途径。网络控制系统通过实时网络闭合形成反馈，每一 个直接与网络相连的部件称为一个节点。网络控制系统的结构如下： i 1 控制器li 执行器 。f 一。1 _ | ，一j j 系统ld 传感器 通信网络 ，。!i。一一一 f 执行器r _ 一系统f l r - 一一一 图1 2 网络控制系统结构图 一j 传感器i 硕士论文网络控制系统实验平台设计及控制方法研究 由图1 2 霹见，网络控制系统舂以下几个特点； ( 1 )各节点间的物理连线相对简单； ( 2 ) 数据( 参考输入、对蒙输出和控制输入等) 在控制系统节点州( 传感器、控 制器和执行器等) 通过网络避行交换； ( 3 ) 个别节点出现故障，通常不影响整个系统的运行，且敞障定位容易： 由此可觅，两络控制系统与传统的控制系统相比，大大减少了系统的连线，使 系统容易诊断和维护，增强了系统的灵活性，减轻了人们安装和维护的工作詹。它 是计算机技术、通信技术与控翻技术发震移融合酶产物，樯剐适合_ 辫j 于需黉数据交 换的分布式或远距离控制系统。 丽络控翻系统熬应爱场台主要分为两方覆：方面楚实现遥搡 乍、运程医疗、 远程教学和实验；另方面用作局域控制，热型应用包括网络家电、蓝牙技术、办 公蠡动纯系统帮诗簿祝集袋臻l 造系统等。 l 。2 网络控剁系统中鲍主要闯题 由于网络控制系统用通讯网络代替传统的点对点的连接，因此给控制系统带来 诲多豢戆阉蘧。这藏溺题主要雹括网络延时、数据包戆时黟错蘸季羹丢失等。下囊分 别介绍这几个主要问题。 1 2 1 两络延时 系统通过网络交换数据时，会晦于诸多节点共卒网络通道带来延时，如图1 3 掰舔。造成网络延辩有各耱因素，讶能是翻予网络上各节点闯竞争网络以及阚络伸 裁形成：也w 能是幽于数据在发送时排队形成；还肖网络传输的时间也可造成延时。 藕络导致的延薅可能逶常数，也哥怒是辩交豹甚至薅壤靛。 銎1 , 3 麓环弼绪按甓l 系绣翁穆窭 如图1 3 所示，通过网络来连接控制器与执行器、传感器与控制器，这样系统 道邂网络交换数据会产生糕应酌延时。网络延时鬻低了系统豹性麓，甚至使系统不 稳定。q ”表示传感器到控制器间的网络延时，f 。“表示控制器到执行器问的网络 延时。如果用r 来代表整个控制系统中总的网络延时，则肖：f = f ”+ r “。在分析 硕士论文网络控制系统实验平台设计及控制方法研究 由图1 2 霹见，网络控制系统舂以下几个特点； ( 1 )各节点间的物理连线相对简单； ( 2 ) 数据( 参考输入、对蒙输出和控制输入等) 在控制系统节点州( 传感器、控 制器和执行器等) 通过网络避行交换； ( 3 ) 个别节点出现故障，通常不影响整个系统的运行，且敞障定位容易： 由此可觅，两络控制系统与传统的控制系统相比，大大减少了系统的连线，使 系统容易诊断和维护，增强了系统的灵活性，减轻了人们安装和维护的工作詹。它 是计算机技术、通信技术与控翻技术发震移融合酶产物，樯剐适合_ 辫j 于需黉数据交 换的分布式或远距离控制系统。 丽络控翻系统熬应爱场台主要分为两方覆：方面楚实现遥搡 乍、运程医疗、 远程教学和实验；另方面用作局域控制，热型应用包括网络家电、蓝牙技术、办 公蠡动纯系统帮诗簿祝集袋臻l 造系统等。 l 。2 网络控剁系统中鲍主要闯题 由于网络控制系统用通讯网络代替传统的点对点的连接，因此给控制系统带来 诲多豢戆阉蘧。这藏溺题主要雹括网络延时、数据包戆时黟错蘸季羹丢失等。下囊分 别介绍这几个主要问题。 1 2 1 两络延时 系统通过网络交换数据时，会晦于诸多节点共卒网络通道带来延时，如图1 3 掰舔。造成网络延辩有各耱因素，讶能是翻予网络上各节点闯竞争网络以及阚络伸 裁形成：也w 能是幽于数据在发送时排队形成；还肖网络传输的时间也可造成延时。 藕络导致的延薅可能逶常数，也哥怒是辩交豹甚至薅壤靛。 銎1 , 3 麓环弼绪按甓l 系绣翁穆窭 如图1 3 所示，通过网络来连接控制器与执行器、传感器与控制器，这样系统 道邂网络交换数据会产生糕应酌延时。网络延时鬻低了系统豹性麓，甚至使系统不 稳定。q ”表示传感器到控制器间的网络延时，f 。“表示控制器到执行器问的网络 延时。如果用r 来代表整个控制系统中总的网络延时，则肖：f = f ”+ r “。在分析 硕士论文网络控制系统实验平台设计及控制方法研究 由图1 2 霹见，网络控制系统舂以下几个特点； ( 1 )各节点间的物理连线相对简单； ( 2 ) 数据( 参考输入、对蒙输出和控制输入等) 在控制系统节点州( 传感器、控 制器和执行器等) 通过网络避行交换； ( 3 ) 个别节点出现故障，通常不影响整个系统的运行，且敞障定位容易： 由此可觅，两络控制系统与传统的控制系统相比，大大减少了系统的连线，使 系统容易诊断和维护，增强了系统的灵活性，减轻了人们安装和维护的工作詹。它 是计算机技术、通信技术与控翻技术发震移融合酶产物，樯剐适合_ 辫j 于需黉数据交 换的分布式或远距离控制系统。 丽络控翻系统熬应爱场台主要分为两方覆：方面楚实现遥搡 乍、运程医疗、 远程教学和实验；另方面用作局域控制，热型应用包括网络家电、蓝牙技术、办 公蠡动纯系统帮诗簿祝集袋臻l 造系统等。 l 。2 网络控剁系统中鲍主要闯题 由于网络控制系统用通讯网络代替传统的点对点的连接，因此给控制系统带来 诲多豢戆阉蘧。这藏溺题主要雹括网络延时、数据包戆时黟错蘸季羹丢失等。下囊分 别介绍这几个主要问题。 1 2 1 两络延时 系统通过网络交换数据时，会晦于诸多节点共卒网络通道带来延时，如图1 3 掰舔。造成网络延辩有各耱因素，讶能是翻予网络上各节点闯竞争网络以及阚络伸 裁形成：也w 能是幽于数据在发送时排队形成；还肖网络传输的时间也可造成延时。 藕络导致的延薅可能逶常数，也哥怒是辩交豹甚至薅壤靛。 銎1 , 3 麓环弼绪按甓l 系绣翁穆窭 如图1 3 所示，通过网络来连接控制器与执行器、传感器与控制器，这样系统 道邂网络交换数据会产生糕应酌延时。网络延时鬻低了系统豹性麓，甚至使系统不 稳定。q ”表示传感器到控制器间的网络延时，f 。“表示控制器到执行器问的网络 延时。如果用r 来代表整个控制系统中总的网络延时，则肖：f = f ”+ r “。在分析 颂十论文刚络控制系统实验平台设计及控制方法 ! 】f 究 网络对控制系统的影响时，为了简化起见可以把网络的作用归结到控制器与执行器 之间，或传感器与控制器之间，网络延时为总的延时r 。 1 2 2 单包和多包传输中的时序错乱 如果传感器或执行器的数据集中在一个数据包中传输，称为单包传输：如果传 感器或执行器的数据分为若干个数据包传输称为多包传输。进行多包传输有两个原 因，一个原因是因为数据包的大小是有限制的，这样大量的数据就必须分成多个数 据包传输。另个原因是网络控制系统中的传感器或执行器通常相隔很远且很分散， 很难把它们产生的数据集中在一个数据包中传输。 不同的网络适合不同类型的传输。以太网( e t h e r n e t ) 最早设计用于传递数据文 件一类的信息，能够在一个单包中容纳1 5 0 0 字节的数据，所以可以把传感器数据集 中于一个数据包中传输。另一方面，设备网( d e v i c e n e t ) 以传输小规模控制数据为 特征，在每个包中数据场的最大容量为8 字节，容量很有限，这样用d e v i c e n e t 传输 传感器数据时，通常采用多包传输。 数据包在网络中传输，由于传输路径不唯一，数据包到达目的地的顺序会发生 错乱。数据包时序错乱现象给控制系统带来了难题。 1 2 3 数据包的丢失 当网络控制系统中发生节点失灵或节点传输冲突时，将会发生数据包的丢失。 尽管大多数的网络协议都考虑了传输重试机制，它们也只能在有限的时间内重新传 输，这个时间结束之后，包将丢失。此外为了维护系统性能采用特定的协议也会发 生数据包的丢失。 1 3 网络控制系统设计的目标及其研究方式 网络控制系统通常面向的是分布化的传感器、控制器、执行器和人机界面，网 络上传送的信息都是数字量，应用场合常是工业现场，通常对系统有实时性和可靠 性等要求，而网络控制系统中存在的延时和数据包丢失、时序错乱等问题使控制系 统很难达到预定的要求，给控制系统的分析和设计带来了新的挑战。在网络要交换 的信息量很大的情况下，如何利用有限网络带宽，设计控制方法使系统还能保持良 好的性能( 如稳定性、上升时间、超调和其它设计准则) ，成为网络控制系统设计的 主要目标。 常规的控制理论采用了许多理想的假设，如同步控制、延时有上界等。所以将 现有的理论应用到网络控制系统时，这些问题必须考虑到。( 如网络传输过程中造成 的延时是随机时变的，当延时超过控制系统所能容忍的范围时，可能导致系统的失 稳。) 颂十论文刚络控制系统实验平台设计及控制方法 ! 】f 究 网络对控制系统的影响时，为了简化起见可以把网络的作用归结到控制器与执行器 之间，或传感器与控制器之间，网络延时为总的延时r 。 1 2 2 单包和多包传输中的时序错乱 如果传感器或执行器的数据集中在一个数据包中传输，称为单包传输：如果传 感器或执行器的数据分为若干个数据包传输称为多包传输。进行多包传输有两个原 因，一个原因是因为数据包的大小是有限制的，这样大量的数据就必须分成多个数 据包传输。另个原因是网络控制系统中的传感器或执行器通常相隔很远且很分散， 很难把它们产生的数据集中在一个数据包中传输。 不同的网络适合不同类型的传输。以太网( e t h e r n e t ) 最早设计用于传递数据文 件一类的信息，能够在一个单包中容纳1 5 0 0 字节的数据，所以可以把传感器数据集 中于一个数据包中传输。另一方面，设备网( d e v i c e n e t ) 以传输小规模控制数据为 特征，在每个包中数据场的最大容量为8 字节，容量很有限，这样用d e v i c e n e t 传输 传感器数据时，通常采用多包传输。 数据包在网络中传输，由于传输路径不唯一，数据包到达目的地的顺序会发生 错乱。数据包时序错乱现象给控制系统带来了难题。 1 2 3 数据包的丢失 当网络控制系统中发生节点失灵或节点传输冲突时，将会发生数据包的丢失。 尽管大多数的网络协议都考虑了传输重试机制，它们也只能在有限的时间内重新传 输，这个时间结束之后，包将丢失。此外为了维护系统性能采用特定的协议也会发 生数据包的丢失。 1 3 网络控制系统设计的目标及其研究方式 网络控制系统通常面向的是分布化的传感器、控制器、执行器和人机界面，网 络上传送的信息都是数字量，应用场合常是工业现场，通常对系统有实时性和可靠 性等要求，而网络控制系统中存在的延时和数据包丢失、时序错乱等问题使控制系 统很难达到预定的要求，给控制系统的分析和设计带来了新的挑战。在网络要交换 的信息量很大的情况下，如何利用有限网络带宽，设计控制方法使系统还能保持良 好的性能( 如稳定性、上升时间、超调和其它设计准则) ，成为网络控制系统设计的 主要目标。 常规的控制理论采用了许多理想的假设，如同步控制、延时有上界等。所以将 现有的理论应用到网络控制系统时，这些问题必须考虑到。( 如网络传输过程中造成 的延时是随机时变的，当延时超过控制系统所能容忍的范围时，可能导致系统的失 稳。) 颂十论文刚络控制系统实验平台设计及控制方法 ! 】f 究 网络对控制系统的影响时，为了简化起见可以把网络的作用归结到控制器与执行器 之间，或传感器与控制器之间，网络延时为总的延时r 。 1 2 2 单包和多包传输中的时序错乱 如果传感器或执行器的数据集中在一个数据包中传输，称为单包传输：如果传 感器或执行器的数据分为若干个数据包传输称为多包传输。进行多包传输有两个原 因，一个原因是因为数据包的大小是有限制的，这样大量的数据就必须分成多个数 据包传输。另个原因是网络控制系统中的传感器或执行器通常相隔很远且很分散， 很难把它们产生的数据集中在一个数据包中传输。 不同的网络适合不同类型的传输。以太网( e t h e r n e t ) 最早设计用于传递数据文 件一类的信息，能够在一个单包中容纳1 5 0 0 字节的数据，所以可以把传感器数据集 中于一个数据包中传输。另一方面，设备网( d e v i c e n e t ) 以传输小规模控制数据为 特征，在每个包中数据场的最大容量为8 字节，容量很有限，这样用d e v i c e n e t 传输 传感器数据时，通常采用多包传输。 数据包在网络中传输，由于传输路径不唯一，数据包到达目的地的顺序会发生 错乱。数据包时序错乱现象给控制系统带来了难题。 1 2 3 数据包的丢失 当网络控制系统中发生节点失灵或节点传输冲突时，将会发生数据包的丢失。 尽管大多数的网络协议都考虑了传输重试机制，它们也只能在有限的时间内重新传 输，这个时间结束之后，包将丢失。此外为了维护系统性能采用特定的协议也会发 生数据包的丢失。 1 3 网络控制系统设计的目标及其研究方式 网络控制系统通常面向的是分布化的传感器、控制器、执行器和人机界面，网 络上传送的信息都是数字量，应用场合常是工业现场，通常对系统有实时性和可靠 性等要求，而网络控制系统中存在的延时和数据包丢失、时序错乱等问题使控制系 统很难达到预定的要求，给控制系统的分析和设计带来了新的挑战。在网络要交换 的信息量很大的情况下，如何利用有限网络带宽，设计控制方法使系统还能保持良 好的性能( 如稳定性、上升时间、超调和其它设计准则) ，成为网络控制系统设计的 主要目标。 常规的控制理论采用了许多理想的假设，如同步控制、延时有上界等。所以将 现有的理论应用到网络控制系统时，这些问题必须考虑到。( 如网络传输过程中造成 的延时是随机时变的，当延时超过控制系统所能容忍的范围时，可能导致系统的失 稳。) 坝i 地义刚绵控制系统实验s p 台设计及控制方法研究 目前网络控制系统的设计有两利t 方式。一种方式是不考虑数据包的延时和丢失。 设计一个通讯协议使这些事件发生的概率最小。如在网络流量超出网络处理能力的 情况下，提出各种拥塞算法来提高系统性能。另一种方式是将网络协议和流量作为 给定的条件，考虑数据包的延时和丢失设计控制策略。第一种方式在小范围的局域 网内实现并不难，但在大范围的广域网内应用却很难。若要使网络控制技术得到广 泛的应用，显然应把工作的重点放在第二种方式的研究上。 1 4 网络控制系统中常用网络的分析与比较 随着企业综合自动化系统的发展，要把企业经营决策、管理、计划、调度、过 程优化、故障诊断、现场控制紧密联系在一起，进行综合信息处理，就必须将自动 控制、办公自动化、经营管理等各层次计算机( 包括现场仪表内的微处理器) 互连 成网络，实现信息的沟通汇集与数据共享，因而企业网络中的信息是多层次的。企 业信息网络系统通常从高到低分为三层：生产管理层、过程监控层、现场控制层。 生产管理层：工厂的生产调度、计划、销售、库存、财务、人事等构成了企业 信息的管理层，它是企业信息网络的上层，一般由以太网组成，如美国r o c k w e l l 公 司采用了工业以太网。 过程监控层：现场控制层将来自现场一线的信息送往控制室，置入实时数据库， 进行监控与优化计算、集中显示，这是网络中自动化系统的过程监控层，如r o c k w e l l 公司采用了c o n t r o l n e t 网。 现场控制层：现场控制层是企业网络中的最底层，直接与工厂现场设备连接。 如r o c k w e l l 公司采用了d e v i c e n e t 网。 不同的网络由于它们的应用场合和要求不同，采用的协议、机制不同，对延时、 数据包造成的影响也各不相同。下面介绍以上三级网络，并比较它们的优缺点。 1 4 1e t h e r n e t 以太网 e t h e m e t 采用c s m a ，c d ( 载波侦听多路访问冲突检测) 的机制来解决通讯线路 之间的冲突。i e e e s 0 2 3 网络标准中详细地介绍了c s m a c d 协议。在c s m a c d 中， 任何想发送数据的节点必须对线路进行侦听，确保线路是空闲的，然后传送自己的 数据。在传送数据之后，节点继续进行侦听，在整个数据传输过程中，节点检测线 路上是否有指示冲突的高电压存在。当检测到冲突时，节点等待一段随机长的时间， 在线路清除后再重新发送数据。这个随机时间是由标准二进制指数退避算法来确定 的( b e b ) ：重新传送的时间在o 【2 一1 ) 的帧间隙时间之间任意选取，其中i 是指节 点检测到的第i 冲突事件，一个帧间隙时间即为一个传送数据循环所需的最小时间。 以太网的帧结构如下图所示。 4 坝i 地义刚绵控制系统实验s p 台设计及控制方法研究 目前网络控制系统的设计有两利t 方式。一种方式是不考虑数据包的延时和丢失。 设计一个通讯协议使这些事件发生的概率最小。如在网络流量超出网络处理能力的 情况下，提出各种拥塞算法来提高系统性能。另一种方式是将网络协议和流量作为 给定的条件，考虑数据包的延时和丢失设计控制策略。第一种方式在小范围的局域 网内实现并不难，但在大范围的广域网内应用却很难。若要使网络控制技术得到广 泛的应用，显然应把工作的重点放在第二种方式的研究上。 1 4 网络控制系统中常用网络的分析与比较 随着企业综合自动化系统的发展，要把企业经营决策、管理、计划、调度、过 程优化、故障诊断、现场控制紧密联系在一起，进行综合信息处理，就必须将自动 控制、办公自动化、经营管理等各层次计算机( 包括现场仪表内的微处理器) 互连 成网络，实现信息的沟通汇集与数据共享，因而企业网络中的信息是多层次的。企 业信息网络系统通常从高到低分为三层：生产管理层、过程监控层、现场控制层。 生产管理层：工厂的生产调度、计划、销售、库存、财务、人事等构成了企业 信息的管理层，它是企业信息网络的上层，一般由以太网组成，如美国r o c k w e l l 公 司采用了工业以太网。 过程监控层：现场控制层将来自现场一线的信息送往控制室，置入实时数据库， 进行监控与优化计算、集中显示，这是网络中自动化系统的过程监控层，如r o c k w e l l 公司采用了c o n t r o l n e t 网。 现场控制层：现场控制层是企业网络中的最底层，直接与工厂现场设备连接。 如r o c k w e l l 公司采用了d e v i c e n e t 网。 不同的网络由于它们的应用场合和要求不同，采用的协议、机制不同，对延时、 数据包造成的影响也各不相同。下面介绍以上三级网络，并比较它们的优缺点。 1 4 1e t h e r n e t 以太网 e t h e m e t 采用c s m a ，c d ( 载波侦听多路访问冲突检测) 的机制来解决通讯线路 之间的冲突。i e e e s 0 2 3 网络标准中详细地介绍了c s m a c d 协议。在c s m a c d 中， 任何想发送数据的节点必须对线路进行侦听，确保线路是空闲的，然后传送自己的 数据。在传送数据之后，节点继续进行侦听，在整个数据传输过程中，节点检测线 路上是否有指示冲突的高电压存在。当检测到冲突时，节点等待一段随机长的时间， 在线路清除后再重新发送数据。这个随机时间是由标准二进制指数退避算法来确定 的( b e b ) ：重新传送的时间在o 【2 一1 ) 的帧间隙时间之间任意选取，其中i 是指节 点检测到的第i 冲突事件，一个帧间隙时间即为一个传送数据循环所需的最小时间。 以太网的帧结构如下图所示。 4 坝i 地义刚绵控制系统实验s p 台设计及控制方法研究 目前网络控制系统的设计有两利t 方式。一种方式是不考虑数据包的延时和丢失。 设计一个通讯协议使这些事件发生的概率最小。如在网络流量超出网络处理能力的 情况下，提出各种拥塞算法来提高系统性能。另一种方式是将网络协议和流量作为 给定的条件，考虑数据包的延时和丢失设计控制策略。第一种方式在小范围的局域 网内实现并不难，但在大范围的广域网内应用却很难。若要使网络控制技术得到广 泛的应用，显然应把工作的重点放在第二种方式的研究上。 1 4 网络控制系统中常用网络的分析与比较 随着企业综合自动化系统的发展，要把企业经营决策、管理、计划、调度、过 程优化、故障诊断、现场控制紧密联系在一起，进行综合信息处理，就必须将自动 控制、办公自动化、经营管理等各层次计算机( 包括现场仪表内的微处理器) 互连 成网络，实现信息的沟通汇集与数据共享，因而企业网络中的信息是多层次的。企 业信息网络系统通常从高到低分为三层：生产管理层、过程监控层、现场控制层。 生产管理层：工厂的生产调度、计划、销售、库存、财务、人事等构成了企业 信息的管理层，它是企业信息网络的上层，一般由以太网组成，如美国r o c k w e l l 公 司采用了工业以太网。 过程监控层：现场控制层将来自现场一线的信息送往控制室，置入实时数据库， 进行监控与优化计算、集中显示，这是网络中自动化系统的过程监控层，如r o c k w e l l 公司采用了c o n t r o l n e t 网。 现场控制层：现场控制层是企业网络中的最底层，直接与工厂现场设备连接。 如r o c k w e l l 公司采用了d e v i c e n e t 网。 不同的网络由于它们的应用场合和要求不同，采用的协议、机制不同，对延时、 数据包造成的影响也各不相同。下面介绍以上三级网络，并比较它们的优缺点。 1 4 1e t h e r n e t 以太网 e t h e m e t 采用c s m a ，c d ( 载波侦听多路访问冲突检测) 的机制来解决通讯线路 之间的冲突。i e e e s 0 2 3 网络标准中详细地介绍了c s m a c d 协议。在c s m a c d 中， 任何想发送数据的节点必须对线路进行侦听，确保线路是空闲的，然后传送自己的 数据。在传送数据之后，节点继续进行侦听，在整个数据传输过程中，节点检测线 路上是否有指示冲突的高电压存在。当检测到冲突时，节点等待一段随机长的时间， 在线路清除后再重新发送数据。这个随机时间是由标准二进制指数退避算法来确定 的( b e b ) ：重新传送的时间在o 【2 一1 ) 的帧间隙时间之间任意选取，其中i 是指节 点检测到的第i 冲突事件，一个帧间隙时间即为一个传送数据循环所需的最小时间。 以太网的帧结构如下图所示。 4 硕_ 二论文网络控制系统实验平台设计及控制方法研究 字节数716620 - 1 5 0 0o - 4 64 i 前同步起始定 目的 源地址 数据 数据填充位校验和 i 字符界符 地址 长度 头部= 2 2 字节 4 6 - 1 5 0 0 字节 图1 4 以太网帧结构 以太网的优点： 以太网传输速率很快，一般采用的是1 0 m b p s 标准，高速以太网一般为i o o m b p s 或1 g b p s ，在网络低负荷的情况下，几乎没有延迟。 以太网的缺点： 以太网中所使用的网络访问模式在冲突产生时，节点可能需要重试若干次之后 才能成功地将数据发送到链路上。这种重试机制在网络负载很重的时候，可能造成 无法预测的延时。在以太网中既无法预测冲突产生的时刻，也无法预测多个节点由 于同时竞争链路使用权时所造成延时的大小。从这点来看以太网不太适合用于实时 性要求较高的控制系统。 1 4 2c o n t r o l n e t 控制网 r o c k w e l l 公司在控制网级通常采用令牌总线协议。令牌总线协议是在网络高负 荷情况下，具有高效率的一种确定性协议。m a p ( 制造自动化协议) 、p r o f i b u s ( 德 国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准) 和c o n n o l n e t ( 控制 网络) 都是采用令牌总线控制网络的典型实例。在发送一个帧的报文之前，最大等 待时间就是令牌循环时间。令牌总线协议( i e e e 8 0 2 4 ) 采用的是一种线性的、多点 的、树状的或分段的拓扑结构。在令牌总线网中，节点在逻辑上组成一个环，在正 常运行时，当节点完成了发送，就将令牌传给下一个节点。从逻辑上看，令牌是按 地址的递减顺序传送至下一个节点，但从物理上看，带有目的地址的令牌广播到总 线上所有的节点，当目的节点识别出符合它的地址时，即接收该令牌。逻辑环按递 降的节点地址次序组成，刚发完数据的节点将令牌传给后继节点，后继节点应立即 发送数据或令牌，原先释放令牌的节点监听到总线上的信号，便可以确认后继节点 是否已获得令牌。 令牌总线帧结构如图1 5 所示。头部总字节数为7 位，包括同步字符、起始定界 符位、源m a ci d ，循环冗余校验位( 或c r c ) 和终止位。 硕_ 二论文网络控制系统实验平台设计及控制方法研究 字节数716620 - 1 5 0 0o - 4 64 i 前同步起始定 目的 源地址 数据 数据填充位校验和 i 字符界符 地址 长度 头部= 2 2 字节 4 6 - 1 5 0 0 字节 图1 4 以太网帧结构 以太网的优点： 以太网传输速率很快，一般采用的是1 0 m b p s 标准，高速以太网一般为i o o m b p s 或1 g b p s ，在网络低负荷的情况下，几乎没有延迟。 以太网的缺点： 以太网中所使用的网络访问模式在冲突产生时，节点可能需要重试若干次之后 才能成功地将数据发送到链路上。这种重试机制在网络负载很重的时候，可能造成 无法预测的延时。在以太网中既无法预测冲突产生的时刻，也无法预测多个节点由 于同时竞争链路使用权时所造成延时的大小。从这点来看以太网不太适合用于实时 性要求较高的控制系统。 1 4 2c o n t r o l n e t 控制网 r o c k w e l l 公司在控制网级通常采用令牌总线协议。令牌总线协议是在网络高负 荷情况下，具有高效率的一种确定性协议。m a p ( 制造自动化协议) 、p r o f i b u s ( 德 国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准) 和c o n n o l n e t ( 控制 网络) 都是采用令牌总线控制网络的典型实例。在发送一个帧的报文之前，最大等 待时间就是令牌循环时间。令牌总线协议( i e e e 8 0 2 4 ) 采用的是一种线性的、多点 的、树状的或分段的拓扑结构。在令牌总线网中，节点在逻辑上组成一个环，在正 常运行时，当节点完成了发送，就将令牌传给下一个节点。从逻辑上看，令牌是按 地址的递减顺序传送至下一个节点，但从物理上看，带有目的地址的令牌广播到总 线上所有的节点，当目的节点识别出符合它的地址时，即接收该令牌。逻辑环按递 降的节点地址次序组成，刚发完数据的节点将令牌传给后继节点，后继节点应立即 发送数据或令牌，原先释放令牌的节点监听到总线上的信号，便可以确认后继节点 是否已获得令牌。 令牌总线帧结构如图1 5 所示。头部总字节数为7 位，包括同步字符、起始定界 符位、源m a ci d ，循环冗余校验位( 或c r c ) 和终止位。 硕：b 论文网络控制系统实验平台 殳计及控制方法研究 字节散 l l ；碧0 _ 5 0 6 图1 5 令牌总线帧结构 令牌总线的优点： 在网络的操作过程中，令牌总线可以动态的增加节点或删除节点：网络不会发 生冲突，数据长度很短，从而减少开销、增加了网络容量；可事先确定令牌循环时 间，这点在工业控制中很重要；可为要传输的数据提供不同的优先级。 令牌总线的缺点： 尽管令牌总线协议在网络高负荷时具有高效和确定性的特点，但在网络低负荷 的情况下，它不能达到c s m 刖c d 的功效。一般地当一个逻辑环上有许多节点时， 在传输数据较少的情况下，网络的大部分时间用在节点间传送令牌。 1 4 3d e v i c e n e t 设备网 设备网是一种连接设备和网络的相对低成本的通信连接方法，在设备级应用方 面它具有良好的适用性。设备网的结构以c a n 总线为基础。 c a n 协议是针对短报文进行优化的协议，采用c s m a 仲裁法，由报文识别器完 成仲裁过程。每条报文都具有一个具体的优先级用来判断进入总线的先后顺序。传 送报文的节点要等到总线空闲，才能开始传送。要解决传输数据时访问总线的冲突 问题，可以通过每个帧的仲裁字段进行仲裁。仲裁字为1 2 位，前1 1 位是报文的优 先级标识符，标识符的二进制数值越低，优先级越高；后一位是r t r 位。( 数据帧 的r t r 位为0 ，远程帧的r t r 位为1 ，数据帧的优先级高于远程帧) 。如果有两个节 点要同时发送报文，在它们发送仲裁字的同时监听网络，若其中一个节点接收到一 个不同于它发送的位，则说明另一个节点的优先级比它高，它将暂停发送报文，让 优先级比它高的节点先发送，发完后它再继续发送。以此类推，继续传送下去。 c a n 的帧结构如下： 仲裁场控制场数据场c r c 场a c k 场帧结束 总线空闲总线空闲 图1 6 c a n 总线帧结构 硕：b 论文网络控制系统实验平台 殳计及控制方法研究 字节散 l l ；碧0 _ 5 0 6 图1 5 令牌总线帧结构 令牌总线的优点： 在网络的操作过程中，令牌总线可以动态的增加节点或删除节点：网络不会发 生冲突，数据长度很短，从而减少开销、增加了网络容量；可事先确定令牌循环时 间，这点在工业控制中很重要；可为要传输的数据提供不同的优先级。 令牌总线的缺点： 尽管令牌总线协议在网络高负荷时具有高效和确定性的特点，但在网络低负荷 的情况下，它不能达到c s m 刖c d 的功效。一般地当一个逻辑环上有许多节点时， 在传输数据较少的情况下，网络的大部分时间用在节点间传送令牌。 1 4 3d e v i c e n e t 设备网 设备网是一种连接设备和网络的相对低成本的通信连接方法，在设备级应用方 面它具有良好的适用性。设备网的结构以c a n 总线为基础。 c a n 协议是针对短报文进行优化的协议，采用c s m a 仲裁法，由报文识别器完 成仲裁过程。每条报文都具有一个具体的优先级用来判断进入总线的先后顺序。传 送报文的节点要等到总线空闲，才能开始传送。要解决传输数据时访问总线的冲突 问题，可以通过每个帧的仲裁字段进行仲裁。仲裁字为1 2 位，前1 1 位是报文的优 先级标识符，标识符的二进制数值越低，优先级越高；后一位是r t r 位。( 数据帧 的r t r 位为0 ，远程帧的r t r 位为1 ，数据帧的优先级高于远程帧) 。如果有两个节 点要同时发送报文，在它们发送仲裁字的同时监听网络，若其中一个节点接收到一 个不同于它发送的位，则说明另一个节点的优先级比它高，它将暂停发送报文，让 优先级比它高的节点先发送，发完后它再继续发送。以此类推，继续传送下去。 c a n 的帧结构如下： 仲裁场控制场数据场c r c 场a c k 场帧结束 总线空闲总线空闲 图1 6 c a n 总线帧结构 硕士论文网络控制系统实验平台设计及控制方法研究 c a n 的优点： c a n 是一种针对短报文优化的确定性协议，报文的优先级是在仲裁场中实现的。 在仲裁过程中，具有高一级优先级的报文通常优先进行介质访问，因此可以保证具 有高优先级的报文传送。 c a n 的缺点： 与其它网络相比，c a n 的主要缺点就是数据传输率较低，因而与其它控制网相 比较，流量受到了限制。c a n 协议要求位同步，这也限制了设备网的最大长度。尽 管c a n 支持大于8 个字节的分段数据，但c a n 不适用于大尺寸数据报文的传送。 1 4 4 三种网络的比较1 1 1 i 下表列出了以上介绍的三种网络的传输时间和各种参数。 图1 7 表示的是以上三种网络发送的数据量与传输时间的关系。由图可见，发送 同样大小的数据，d e v i c e n e t 的传输时间最长 e t l l e m e t 与其他网络相比发送大的数 据量( 2 0 字节) 所需的时间少一些；虽然c o n t r o l n e t 发送同样的数据量所需的时间 表1 】三种网络的参数表 e t h e r n e tc o n t r o l n e t d e v i e e n e t 数据传输率m b p s 1 050 5 位时脚 0 10 22 最大长度m2 5 0 01 0 0 01 0 0 最大数据( 字节)1 5 0 05 0 48 最小报文( 字节)7 2 37 4 7 8 4 最大节点数) 1 0 0 09 9 6 4 也较少，但是它需要一些时间获得网络访问权。 图1 8 表示的是三种网络在不同数据量下的数据编码效率。数据的编码效率定义 为数据的大小和消息的大小之比。由1 8 图可以看出对小的数据量，d e v i c e n e t 的编 码效率最高而e t h e r n e t 最低。对大数据量，c o n t r o l n e t 和e t h e r n e te bd e v i c e n e t 要好( d e v i c e n e t 的编码效率仅仅为5 8 ，但c o n t r o l n e t 和e t h e r n e t 对大的数据 发送量达9 8 ) 。因此综合以上分析可以看出选择d e v i c e n e t 作为控制系统网络较为 合理。( 尽管d e v i c e n e t 的数据编码效率较低，但由于控制系统需要发送的数据量通 常不大，所以d e v i c e n e t 的编码效率对控制系统的影响并不大。) 7 硕士论文网络控制系统实验平台设计及控制方法研究 c a n 的优点： c a n 是一种针对短报文优化的确定性协议，报文的优先级是在仲裁场中实现的。 在仲裁过程中，具有高一级优先级的报文通常优先进行介质访问，因此可以保证具 有高优先级的报文传送。 c a n 的缺点： 与其它网络相比，c a n 的主要缺点就是数据传输率较低，因而与其它控制网相 比较，流量受到了限制。c a n 协议要求位同步，这也限制了设备网的最大长度。尽 管c a n 支持大于8 个字节的分段数据，但c a n 不适用于大尺寸数据报文的传送。 1 4 4 三种网络的比较1 1 1 i 下表列出了以上介绍的三种网络的传输时间和各种参数。 图1 7 表示的是以上三种网络发送的数据量与传输时间的关系。由图可见，发送 同样大小的数据，d e v i c e n e t 的传输时间最长 e t l l e m e t 与其他网络相比发送大的数 据量( 2 0 字节) 所需的时间少一些；虽然c o n t r o l n e t 发送同样的数据量所需的时间 表1 】三种网络的参数表 e t h e r n e tc o n t r o l n e t d e v i e e n e t 数据传输率m b p s 1 050 5 位时脚 0 10 22 最大长度m2 5 0 01 0 0 01 0 0 最大数据( 字节)1 5 0 05 0 48 最小报文( 字节)7 2 37 4 7 8 4 最大节点数) 1 0 0 09 9 6 4 也较少，但是它需要一些时间获得网络访问权。 图1 8 表示的是三种网络在不同数据量下的数据编码效率。数据的编码效率定义 为数据的大小和消息的