1. 引言

網絡控制系統（NCSs）是近年來發展形成的自動控制領域的新技術，是計算機網絡、通信與自動控制技術結合的產物。隨著自動控制、計算機、通信、網絡等技術的發展，企業的信息集成系統正在不斷壯大，而網絡化控制是復雜控制系統和遠程控制系統的客觀需求。

在工業中已成功應用了幾十年的傳統控制系統，隨著物理設備和系統功能的擴充，在很多方面已經達到了它的應用極限，而具有通用總線結構的網絡系統，即網絡控制系統NCS，則以其完整的體系結構，分布式的操作運行模式，相對獨立又能很好互聯的通信方式，節省的布線和信號可靠性，顯示出種種優點。

然而在目前的市場上存在著多種網絡控制系統并存的局面，國際標準化組織還難以將其統一。對于大多數企業來說，選擇不同的系統在人力、財力、物力上都要有相應不同程度的投入，因此決定何種系統更適合自己的生產控制狀況，對于提高企業生產力具有一定作用，本文初步總結了每種網絡控制系統的特點，以期給各企業改進生產提供一定的幫助。此外，列舉了目前比較典型的兩種網絡控制系統的應用，具體展現NCSs的實用性。

2. 幾種網絡控制系統的比較

目前NCS研究領域的兩大主流方向就是：①源于自動控制技術以滿足系統穩定及動態性能（quality of performance， QoP）為目標的分析手段;②源于計算機網絡技術以保證多媒體信息傳輸和遠程通信服務質量（quality of service， QoS）的分析手段［，本文主要從數據通信技術方面，也就是QoS角度來比較他們的不同。

下面主要比較幾種網絡控制系統CAN、FF、PROFIBUS和LonWorks的通信模型。工業現場有其具體特點，如果按照OSI7層模式的參考模型，由于層間操作與轉換的復雜性，網絡接口的造價與時間開銷顯得過高。為滿足實時性要求，也為了實現工業網絡的低成本，現 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。如下圖所示：

2.1 CAN的通信參考模型

CAN（controller area network）是控制器局域網的簡稱，是德國Bosch公司在1986年為解決現代汽車中眾多測量控制部件之間的數據交換問題而開發的一種串行數據通信總線。

參照ISO/OSI標準模型，CAN分為數據鏈路層（包括邏輯鏈路控制子層LLC和介質訪問控制子層MAC）和物理層。如圖1中CAN部分所示。

MAC子層主要規定傳輸規則，即控制幀結構、執行仲裁、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。物理層規定了節點的全部電氣特性。

CAN的通信協議由CAN通信控制器完成。CAN通信控制器由實現CAN總線協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數據通信與控制網絡技術是由現場總線基金會FF（fieldbus foundation）組織開發的，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、數據鏈路層和應用層，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，物理層規定了信號如何發送;數據鏈路層規定如何在設備間共享網絡和調度通信;應用層規定了在設備間交換數據、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，例如規定標準的功能塊、設備描述，實現網絡管理、系統管理等。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場總線標準。PROFIBUS根據應用特點分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA 3個兼容版本。

PROFIBUS-DP：經過優化的高速、廉價的通信連接，專為自動控制系統和設備級分散I/O之間通信設計，用于分布式控制系統的高速數據傳輸。

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和非循環通信任務，用于一般自動化控制。

PROFIBUS-PA：專為過程自動化設計，標準的本質安全的傳輸技術，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、數據鏈路層。外設間的高速數據傳輸采用DP型，隱去了第3～7層，而增加了直接數據連接擬合，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通信技術的低速網段部分標準相兼容。

PROFIBUS總線存取協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送或索取信息，通過這種方法有可能實現下列系統配置：純主——從系統;純主——主系統（帶令牌傳遞）;混合系統。

2.4 LonWorks通信協議——LonTalk

LonWorks是一個開放的控制網絡平臺技術，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絡，同時也支持主從式網絡結構。它支持各種通信介質，該控制網絡的核心部分——LonTalk通信協議已經固化在神經元芯片之中。

LonWorks被譽為通用控制網絡，正是由于它的通信協議LonTalk是ISO組織制定的OSI開放系統互連參考模型的七層協議的一個子集。LonTalk與OSI的七層協議比較如圖1。

LonTalk協議在物理層協議中支持多種通信協議，以適應不同的通信介質需要;它的MAC子層是鏈路層的一部分，它使用OSI各層協議的標準接口和鏈路層的其它部分進行通信;鏈路層提供子網內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;網絡層提供給用戶一個簡單的通信接口，定義了如何接收、發送和響應報文等;傳輸層是無連接的，提供1對1節點，1對多節點的可靠傳輸;會話層提供請求——響應機制，通過節點的連接來進行遠程數據服務;表示層和應用層提供網絡變量、顯示報文、網絡管理、網絡跟蹤、外來幀傳輸的服務。

3. 幾種系統的特點及適用性

3.1 CAN的特點及適用性

CAN正如它的名稱一樣，是控制網絡中的局域網類型。如前所述，它從一開始就是專為解決現代汽車中眾多測量控制部件之間的數據交換問題而開發的總線式串行通信技術。它只包括了物理層和數據鏈路層，其全部內容可以封裝在通信控制器的芯片內。因而可以說它并不是一項完整的控制網絡技術，也不足以構成一個企業的控制網絡，比較適宜于作為控制網絡的節點通信芯片的通信規范。

3.2 FF的特點及適用性

基金會現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，是網絡系統，也是自動化系統，它使自動化系統具備了網絡化特征，也使各種網絡通信圍繞完成各種自動化任務進行。

這種網絡控制系統特別適合于過程自動化生產，它既可以完成全分布式自動化系統的主要功能即對工業生產過程的各個參數進行測量、信號變送、控制、顯示、計算等，而它所具有的網絡通信能力又使它的各項自動化功能是通過網絡節點間的信息傳輸、連接、各部分的功能集成而共同完成的，更有效、方便地實現生產過程地安全、穩定、經濟運行，并進一步實現管控一體化。另外，還可以實現總線供電。

它的另一大優勢是現場設備開發中的設備描述（DD）技術，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。

但FF通信技術設立了低速、高速兩部分網段，即H1和HSE，在現場管理級，也即現場總線部分使用的是低速總線H1的標準，通信速率為31.25Kbps，這對于需要高速數據傳輸的分散設備之間的通信就略顯局促。

3.3 FROFIBUS的特點及適用性

FROFIBUS可使分散式數字化控制器從現場底層到車間級網絡化，如前面所提到的，該系統分為主站和從站，主站決定總線的數據通信。從站為外圍設備，沒有總線控制權，僅對接收到的信息給予確認或當主站發出請求時向它發送信息。

FROFIBUS系統是比較完善的網絡控制系統，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大很多，因此比較適宜于規模較大，經濟和技術實力都較強勁的企業。

3.4 LonWorks的特點及適用性

LonWorks的最大特色就在于他與互聯網的無縫結合，第三代的LonWorks技術已能充分利用互聯網資源，將一個現場設備控制局域網絡變成一個借助廣域網跨越遠程地域的控制網絡，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。不同生產廠商的器件之間實現了互相操作、互相替代。

在LonWorks應用系統結構中，LonWorks技術嵌入到現場設備中，使設備與設備之間保持對等的通信結構。同時，這些控制網絡又通過各種互聯網的連接設備將控制網絡的信息通過互聯網接入某個數據中心或運營商主持的企業數據庫。還能通過LNS控制網絡操作系統建立上層的企業解決方案，同時與ERP、CRM等信息技術應用相結合。

因此LonWorks網絡控制系統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類型，比如電力系統的變電站、大廈物業管理、便利超市的統一管理等。

4. 典型應用舉例

限于篇幅，這里列舉FF和LonWorks兩種網絡控制系統的應用實例，以便更清晰地展現這兩種網絡的結構和特點。選擇這兩種網絡結構的原因正如前所說CAN并不是一個完整的網絡控制系統而PROFIBUS系統的結構又過于復雜，而且PROFIBUS-PA的標準目前與IEC1158-2（H1）標準，即FF通信技術的低速網段部分標準相兼容。所以選取FF和LonWorks網絡系統更具有典型性。

4.1 FF網絡設計

控制網絡的設計是FF應用系統設計的特色，圖2為一個工業現場典型的FF網絡系統的構成圖。圖中包括多個低速網段H1和高速網段HSE。整個系統由計算機（主要用來監視操作）、控制器、網絡連接設備（作為網關）、網卡以及由現場總線連接的現場設備共同組成。

4.2 樓宇自動化抄表系統中的LonWorks網絡設計

該系統設計中采用了LonWorks的LNS客戶服務器構架來實現小區的抄表、數據統計和網絡管理功能。以便完成開發商對于三表收費系統的較高要求即：完成三表操作并且將采集來的數據直接進入數據庫并實現收費、查詢、打印;對于電表要根據不同時段采用多種付費率;現場節點能不依賴于上位機獨立分時統計。

圖3為整個工程結構圖。前端為現場控制機柜，每個機柜插一塊或數塊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構，數據庫管理機作為網絡服務器，管理網絡數據庫，同時處理收費系統的數據庫。網絡管理機是一臺便攜機，作為客戶機，在系統出現問題時通過網絡服務器上的共享網絡數據庫進行網絡安裝和維護。本系統可以連接多臺客戶作為網絡管理，甚至通過internet對網絡進行管理維護。

5. 結論

NCS是網絡技術與工業應用結合的產物，它的出現解決了控制系統發展中出現的很多問題，進一步提高了企業的生產效率，發展了生產力。幾種比較成熟的網絡控制系統技術因為其在通信技術和硬件組成上的很多不同而彰現出各自的特點，企業應該在了解自己的生產狀況和經濟實力的基礎上，根據自己的特點選擇較適合自己的控制系統。本文通過比較幾種較成熟的網絡控制系統技術以及典型應用實例，初步得出了幾種不同系統適用的地方，希望對部分企業的技術革新帶來幫助，并能為我國的改革和現代化建設貢獻出微薄的力量。

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