（控制理论与控制工程专业论文）开放式网络控制系统的研究与应用.pdf

摘要 开放式网络架构下的网络控制系统是一项综合性网络应用，在底层控制上 属于闭环网络控制系统研究的范畴，在体系结构上体现了分布式控制的特点， 在系统的设计上需要对网络性能和控制器设计进行综合考虑。本文基于非线性 时变网络控制系统为研究对象，在网络协议、网络时延特性分析与预估、非线 性控制方法等方面开展研究。 首先，本文作者从网络控制系统的历程入手，简要地回顾其发展历史，总结 了一般规律，将开放式网络控制系统作为主要的研究内容。 网络控制系统作为信息技术与传统控制系统相结合的产物，通信协议很自 然的成为关键要素。于是，在随后的第二章里，作者对目前网络控制系统常用 的协议进行了对比分析，认为虽然出现了很多改进后的协议或是专用协议，以 使其适于网络控制系统的需求，但这些改进后的协议有很多的专用限制要求和 封闭性条件，而这和越来越明显的网络控制系统开放性发展趋势不一致，难以 进行大范围的推广和应用。网络控制系统的开放性需要我们在通用协议的基础 上加以改善，更为有效地满足人们对系统的充分应用。最后采用一种分布式计 算技术x m l r p c ：一种基于消息的远程编程方式，实现了一种新的远程设备数 据采集和控制方法，并开发出相应的开放式远程控制系统。 然后本文对网络控制系统分析的核心：时延问题，包括时延的产生机理， 时延模型，时延估计以及相应的控制策略和稳定性分析进行了阐述。接下来， 作者从网络结构的角度出发，以i n t e r n e t 为网络架构对时延进行研究和分析，并 加以预估。虽然i n t e r n e t 的控制机制和行为特征日趋复杂，使得对其越来越难 以认识和把握。但是其特征可以通过它所承载的网络流量的特性反映出来，所 以研究网络流量的动态特性，有助于揭示现代互联网络的工作机理，从而对基 于i n t e r n e t 的网络控制的时延尤其动态时延有较好的把握。 最后，本文集中在控制策略方面，针对开放式网络控制系统的非线性时变 特点，分别与鲁棒控制理论和多模型理论相结合，提出了各自新的算法。在应用 前者时，建立了一时变多时延网络控制系统对象模型，结合应用于时滞系统的 鲁棒控制理论，通过求解线性矩阵不等式，在满足一定性能要求条件下给出静 态状态反馈控制，使得闭环网络控制系统次型稳定并满足相应的性能指标。 浙江大学学位论文 而开放式网络控制系统的模型结构或参数往往是不确定的，使得我们很难 对其建立一个较为精确的模型。在估计系统状态的同时还需要辨识系统的结构， 使很多常规算法对系统辨识产生延迟与误报，从而对估计发生严重偏差。多模 型算法由于其独有的处理具有结构和参数未知或变化以及将复杂问题简化为简 单问题的能力，近年来受到了高度的重视，但未见到与网络控制的结合。本文首 次尝试将多模型理论与控制网络相结合，将时延映射为构造模型集的关键指标， 提出一种新的算法来实现网络控制系统，从仿真结果看，控制效果令人满意。 关键词：网络控制，时延，协议，非线性，多模型，鲁棒控制 a b s t r a c t t h eo p e nn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mi sa ni n t e g r a t e da p p l i c a t i o n s a tt h ec o n - t r o ll e v e l ，i tb e l o n g st ot h er e s e a r c ha r e ao fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m a tt h ec o n - t r o la r c h i t e c t u r el e v e l ，i ti sad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y n e e d st os y n t h e s i st h en e t w o r k sp e r f o r m a n c ea n dt h ec o n t r o l l e rd e s i g n i nt h i sd i s - s e r t a t i o n ，t h ek e yp r o b l e m so fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，s u c ha sp r o t o c o l ，t i m e d e l a y ，a n dt h ef o r e c a s ta n de v a l u a t i o no ft i m ed e l a y ，a n dc o n t r o ls t r a t e g ya r e s t u d i e d t h ee v o l u t i o no fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mi sf i r s t l yi n t r o d u c e da n da n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y , o p e nn c s i sb r o u g h tf o r w a r da st h em a i nt o p i co ft h i sd i s s e r t a t i o n c o n s i d e r i n gt h a tn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mi st h ep r o d u c to ft h ec o m b i n a - t i o no fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m ，i tn a t u r a l l ym a k e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e c o m ek e yf a c t o ro fn c s t h e ni ns e c o n dc h a p t e rs o m e c u r r e n tp r o t o c o l sw i d e l yu s e di nn c sa r ec o m p a r e d h o w e v e r ，m a n yi m p r o v e d p r o t o c o lo rs p e c i a lp r o t o c o la p p e a r e dt om e e td e m a n do fn c s ，b u ti nc o m p a r i s o nw i t hg e n e r a lp r o t o c o l ，i tt a k e sf l a w sl i k ep e c u l i a rl i m i t sa n dc l o s e dr e q u e s t w h i c hc o n t r a d i c tt oo p e nd e v e l o p i n gt r e n do fn c s ，a n dm a k e sn oc o n t r i b u t i o n t op o p u l a r i z en c si nw i d er a n g e i ti sm o r ee f f e c t u a lf o rb u i l d i n gn c st om a k e t h eb e s tu s eo fg e n e r a lp r o t o c 0 1 i nt h ee n dx m l r p ci su s e dt or e a l i z ean e w r e m o t ec o n t r o lm e t h o da n dr e l e v a n ta p p l i c a t i o ni st a k e ni n t op r a c t i c e t h et h i r dc h a p t e rl a ys t r e s so nt i m ed e l a y si nn c s i n c l u d i n gi t sg e n e r a - t i o nm e c h a n i s m ，m o d e l i n g ，e v a l u a t i o n ，a n dc o n t r o ls t r a t e g y a f t e rt h e s ea n a l y - s i s ，a no n l i n ed e l a y - v a l u a t i o na p p r o a c hi si n t r o d u c e dw i t had i f f e r e n tv i e wf r o m t h ef a m i l i a rm e t h o di nn e x tc h a p t e r ，w h i c hc h a r a c t e r i z et h et i m ed e l a yu t i l i z i n g n e t w o r kt r a f f i cp r e d i c t e db yw a v e l e t s a l t h o u g hi n t e r n e ti sav e r yc o m p l e xa n d g i g a n t i cs y s t e mt oa n a l y z ed i a g n o s t i c a l l y , i t sc h a r a c t e r i s t i c sa n db e h a v i o r sc a nb e r e f l e c t e df r o mn e t w o r kt r a f f i c r e s e a r c ho nt r a f f i cc a ne n h a n c eo u ru n d e r s t a n d i n go ft h ew o r km e c h a n i s mo fn e t w o r ka n di m p r o v et h ea c c u r a c yo ft i m ed e l a y e s t i m a t i o n l y 浙江大学学位论文 f i n a l l y , c o n t r o ls t r a t e g yo fn o n l i n e a rt i m e - v a r i a n tn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m i ss t u d i e d i nv i e wo ft i m e - d e l a yi sb u r s ta n dv a r i a b l e n e wa l g o r i t h mo fc o n - t r o lm e t h o dw i t hr o b u s tc o n t r o lt h e o r ya n dm u l t i p l em o d e le s t i m a t i o nt h e o r y p r e s e n t e d w i t hr o b u s t 月0c o n t r o lt h e o r y , at i m ev a r y i n gm u l t i - d e l a ye q u a t i o n o fs t a t ei sp r o p o s e d ，a n dam e t h o db a s e do nt h el i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y ( l m l ) a p p r o a c hi 8a p p l i e df o rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，w h i c hc a ns t a b i l i z et h ec l o s e d - l o o ps y s t e mb yt h es t a t i cs t a t ef e e d b a c ka n da l s ob ed e s i g n e dt oa c h i e v e d e s i r e d p e r f o r m a n c ed e s p i t et h eu n c e r t a i nd e l a y si nt h es y s t e m t h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e ro fm o d e lf o ro p e nn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m a r eu s u a l l yu n c e r t a i n t y , i tm a k e st h a tw en e e dt oe s t i m a t en o to n l ys t a t eb u ta l s o s t r u c t u r eo f s y s t e m ，8 0i t sv e r yd i f f i c u l tt ob u i l du paa c c u r a t em o d e lo f n e t w o r k e d s y s t e m w i t hm u l t i p l em o d e le s t i m a t i o nt h e o r yw h i c hh a sp a r t i c u l a ra b i l i t yt o d e a l l ，i t hv a r i a b l ep a r a m e t e ro rs t r u c t u r e i nl a s tc h a p t e ro f t h i sd i s s e r t a t i o nat i m e v a r y i n gm u l t i - m o d e ls t a t ee q u a t i o ni sp r o p o s e da n da nn e wa l g o r i t h mi st e s t i f i e d a n da p p l i e df o rc o n t r o ls y s t e m sw h i c hm e r g et h ev a x i a b l et i m e - d e l a yi n t os w i t c h o fm o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t e dt h a tt h ea l g o r i t h mp r e s e n t e dc a n e l i m i n a t es i d ee f f e c tt oc o n t r o ls y s t e m sb yt i m e - d e l a ya n da l s oa c h i e v es t r o n g e r a d a p t a b i l i t ya n dh i g h e ra c c u r a c yd e s p i t et h eu n c e r t a i nd e l a y si nt h es y s t e m 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 ，d e l a y , p r o t o c o l ，n o n l i n e a r ，m u l t i - m o d e l ，r o b u s t c o n t r o l 第一章绪论 1 1 课题背景 自动化科学的发展在理论和应用方面经历了多次历史性的飞跃，一般以 每1 0 年为周期出现重大的发展里程碑。如，1 9 世纪末的l y a p u n o v 稳定理论；2 0 世 纪1 0 年代的p i d 控制律概念；2 0 年代的反馈放大器；3 0 年代的n y q u i s t 与b o d e 图； 4 0 年代的w i e n e r 控制论；5 0 年代的b e l l m a n n 最优化原理和庞德里亚金极大值原 理；6 0 年代的k a l m a n 滤波器和状态空间法；7 0 年代的自适应控制；8 0 年代的鲁 棒控制；9 0 年代的智能控制、混合控制以及非线性控制等等。 在经历了以前的大发展后，自动化及其理论在其发展中出现了一些困难， 控制对象的复杂性、控制性能的高要求性、控制对象所处环境的不确定性、控制 方法和手段的单一性等因素向自动化科学与技术提出了挑战。尤其近年来，发 展迅猛的信息技术与信息产业，给控制系统带了来各种优点的同时，也带来了 新的问题和要求。1 9 8 6 年i e e e 与美国国家基金委专家高峰会发表“对控制的挑 战”一文；1 9 9 0 - 1 9 9 3 年i f a c 组织了“控制在工业中的应用面临计算机的挑战” 调研，而在我国，1 9 9 9 年宋健在i f a c 大会报告：2 1 世纪的控制；2 0 0 2 年中国国家 自然科学基金委召开“中国自动化领域发展战略高层学术讨论会”【1 l 。而在这些 讨论中，信息的控制、网络技术对控制的冲击等都是重要议题。 1 2 网络控制系统概述 网络控制的定义很早就已经提出过，但并不十分统一。目前，网络控制涵 盖了通信网络与控制科学技术的交叉以及相应的衍生产品，主要集中在两个方 面的内容：一、控制系统与网络的结合，即控制系统的网络化，网络主要是做为 控制系统的技术实现手段或环境，而控制的对象就是传统的对象( 如电机、机械 设备、反应过程、机器人轨迹等) ，同时也有交通流量控制、物流服务等系统，简 称为“网络化控制”；二、网络本身的控制，即通信网络成为控制的对象，利用 相关的控制策略和手段来实现和满足网络和用户的要求，即“网络的控制”。这 也可以说是从控制和通信的两个视角来研究网络控制。前者拓展和延伸了传统 控制的概念和使用范围，而后者则把传统的控制理论应用到新的信息和网络对 2浙江大学学位论文 象中，将信息的研究范围和深度都进行了拓延。在目前的网络控制研究中，更 多的将注意力放在了前者，本文所提的网络控制也只限制在前者的范围内。 网络化控制有多种定义，如t e l e m a t i cs y s t e m s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s - t e m s ( n c s ) ，n e t w o r k e ds y s t e m s ，i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o ls y s - t e m s ( i c c s ) 等，其内容各有所侧重，其共同点在于：依靠网络( 主要是计算机网 络) 组成分布式系统，具有资源共享、集成自动化、协调工作等特点。从应用角 度可包括：网络化控制、网络化制造、电子政务、电子商务、数字家庭、大型电 网、城市交通、军事上的c 4 i s r ( 指挥、控制、通信、计算机以及情报、监视、侦 察) 等。其控制对象可以是工业对象也可以是服务业或其他对象。网络化控制系 统中的网络一般是大范畴的企业网络，从功能层次上可包括互联网i n t e r n e t ，企 业内部网i n t r a n e t 、控制网、传感网等，网络类型上包括因特网、无线移动通信、 以太网、现场总线与工业以太网、传感器网络等。 从广义上讲，网络控制系统可以定义为：面向复杂分布式控制应用或控制 对象，采用计算机和网络通讯技术，将传感器、执行器和控制器通过共享介质 的网络进行通讯，在各功能模块化的控制节点或子系统间传递控制和管理信息， 通过网络形成闭环回路，并结合相应控制策略和方法完成复杂的整体控制功能 而形成的分布式控制系统。 图1 1 网络控制系统结构 从控制的角度出发，网络控制系统中的控制器、执行器、被控对象、传感器 是通过通信网络实现闭环的，而由于网络的存在，其工作机理决定了现实网络 的有限的带宽和承载能力，不可避免的在控制系统的实现过程中出现信息的传 输时延，其结构图如图1 1 。 由于前向通道和反馈通道均有网络延迟造成的滞后环节，而且延迟是不确 定性的，并经常伴随有大幅度的变化范围，因此，对网络控制系统的建模、分析 和设计，有其自己的特色和要求，同时也是相当困难的。 第一章绪论 3 1 3网络控制的发展历程 随着控制、计算机和网络技术的发展，人们生产和生活中的控制对象日 益从简单到复杂，从局部到整体，由单点到多点。控制系统也经历了人工控 制、模拟仪表控制、计算机集中监督控制、集散控制( d c s ) 和现场总线控制系 统( f c s ) 、工业以太网控制等几个发展阶段。控制系统呈现出向网络化、数字 化、智能化的发展趋势，其中在生产过程自动化、大型交通和航天设备控制、计 算机集成制造、楼宇自动化和家庭智能化控制等大型复杂分布式控制等的网络 化趋势最为明显。网络化控制系统衍生于计算机网络和传统集中式控制系统， 其发展过程大致呈现为以下三个阶段： 1 3 1 传统集散控翻系统( t r a d i t i o n a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 在上世纪5 0 年代控制系统的基本控制单元是基地式气动控制仪表，它以压 缩空气为动力，采用简单的就地操作模式，主要用于大型阀门的启闭。随着生 产规模的扩大和系统复杂程度的提高，以基于0 - 1 0 m a 或4 2 0 m a 电流信号的电 动单元组合式模拟仪表为基本控制单元的第二代控制系统随之出现，它的出现 表明了电器控制系统时代的到来。由于实际条件的限制，它只能实现比较简单 的闭环控制，如单参数的p i d 调节和简单的串级前馈控制，而无法实现如最优 控制、自适应控制等复杂控制功能。7 0 年代随着计算机技术的出现和成熟，人 们开始在测量模拟以及逻辑控制单元上率先使用计算机，计算机集中监督控制 系统随之出现。 由于计算机的采用不但可以实现简单的p i d 控制，而且可以实现复杂的控 制运算，如多变量解耦控制、最优控制、自适应控制等。这种系统发挥了计算机 的特长，是一种多任务多目的控制系统。但一旦计算机发生故障整个控制系统 都会瘫痪。因此这种控制方式风险很大，在工业生产过程中没有广泛采用。 随着计算机技术的进步，其性价比大幅度提高，出现了数字调节器、可编 程控制器p l c 等新型的控制设备，由多个控制设备递阶构成的集中分散相结合 的d c s 控制系统也随之出现【2 。 在d c s 系统中各种控制单元以微处理器为核心，采用单元组合方式，可以 选择不同的通讯方式，和模拟仪表灵活地组成一个完整的系统。这种系统可以 实现装置级车间级的优化控制，它不但具有计算机集中监督控制系统的控制算 法先进、精度高、响应速度快等优点，还可以满足安全可靠、维护方便、风险相 4浙江大学学位论文 对分散等要求，是目前广泛采用的一种控制结构。 这种控制系统把一个控制过程分解成多个子系统，由多台计算机协同完成。 每台计算机或处理器承担一部分功能，而由一台主机协调控制。其结构主要有 以下特点：具有现场级控制单元( 例如p l c 、m c u 等) ，它与现场设备用电缆连 接，采用标准4 - 2 0 m a 模拟信号传输；具有中央控制单元( c p u ) ，它与现场级控 制单元之间采用r s 2 3 2 、r s - 4 2 2 4 8 5 等，使用专用非开放协议通讯【3 l 。 d c s 目前已有了很大的进展。新推出的d c s 采用国际标准化组织开放系统 互联( i s o o s i ) 标准模型，通信协议遵循m a p t o p 协议，在局域网内可以联 结其他厂家符合此标准的产品。目前d c s 大多采用通用工作站，有效克服了以 前各种专用工作站的弊端；d c s 针对不同的用户，有不同规格的超大型化和微 型化d c s 系统相继问世；通信介质多样化：许多d c s 系统增加了光纤接口，可 采用光纤作为通信介质，具有良好的抗干扰能力和本质安全；d c s 与p l c 相互 融合；软件不断丰富，主要表现在实时多任务和图形操作系统、功能丰富完善 的组态软件、各种各样的管理软件和先进的控制软件包等方面。d c s 向智能方 向发展：由于数据库系统、推理机能等的发展，尤其是知识库系统( k b s ) 和专家 系统的应用，如自学习控制、自适应控制、远距离诊断、自寻优等，人工智能也 会在d c s 的各级中出现。和现场总线类似，以微处理机为基础的智能设备，如 智能i o 、智能p i d 控制、智能传感器，变送器、调节器、执行器、智能人机接 口、可编程调节器相继问世。d c s 工业的p c 化：p c 作为d c s 的操作站或节点机 已经很普遍。 当今d c s 技术已经发展得相当成熟，但它仍存在着许多缺点，首先此种方 式仍然是一种模拟一数字混合系统，模拟信号的转换，传输使系统精度受到限 制。其次，它在结构上严格遵循主从式，没完全突破集中控制思想；一旦主机故 障，系统可靠性就无法保障。更重要的是d c s 系统一般是自成体系，属于非开放 式专用网络，各系统互不兼容，不利于继续提高系统组态的灵活性和可维护性。 1 3 2 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 进入8 0 年代以后，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，系统的集成度越来越高，芯片的计算能力越来越强。许多原来在中 心控制室实现的功能，现在可以在现场的仪表和控制器中实现，现场级设备之 间的通讯在技术上已成为可能，这就导致了一种新型的控制结构，现场总线控 第一章绪论 5 制系统的产生。 现场总线是一种数字化的串行双向通信系统。这一技术可将所有现场设 备( 传感器、执行机构、驱动器等) 与控制器用一根电缆( 光缆或无线) 连接在一 起，形成设备及车间级的数字化通信网络，可完成现场状态监测、控制、远程参 数化等功能。现场总线控制系统将在d c s 系统中执行的控制算法放在现场级的 智能控制节点中，舍弃了d c s 系统的集中式结构，降低了风险，提高了系统运行 的可靠性。现场总线技术使现场级设备的信息作为整个企业信息网的基础，使 企业信息的采集控制直接延伸到生产现场。使用现场总线技术不但大大提高了 通信能力和系统运行的可靠性，而且大大节省了系统安装时的布线费用和硬件 费用，并更加容易对系统进行管理和维护。 现场总线技术起源于欧洲，目前以欧美地区最为发达。各国、各公司都投 人了大量的人力、财力，在市场上展开了激烈的竞争。据不完全统计。世界上已 出现过的总线约有2 0 0 余种。出现多种现场总线有其应用背景，因为不同领域的 自动化需求各有其特点，如f f 总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 主要是针对流程工业 开发，p r o f i b u s 是针对工厂自动化开发。c a n 适用于汽车工业，l o n 应用在楼宇 自动化。经过1 0 多年的竞争和完善，目前生命力较强的有1 0 多种，每种总线都力 图发展和扩大其应用领域，因此各类总线仍处于激烈的市场竞争之中。 现场总线是一种开放的分布式控制系统。它突破了集散控制系统中采用专 用网络的缺陷，把专用封闭协议变成标准开放协议。同时，将数字处理器置入传 统测控仪表，使之具有完全数字计算和数字通信能力。它结构上还采用了全分 布式方案，把控制系统功能彻底下放到现场，提高了系统灵活性和可靠性。因 而，现场总线控制系统和d c s 系统相比具有明显的优点：是现场通讯网络，设备 间可以点对点、点对多点或广播多种方式通信，提高了现场设备的智能化和功 能自治性；利用统一组态与任务下载，使得如p i d 、数字滤波、补偿处理等简单 控制任务可动态下载到现场设备；它可减少传输线路与硬件设备数量，节省系 统安装、维护的成本；还增强了不同厂家设备的互操作性和兼容性。 现场总线控制系统出现以后，虽然得到了迅速的推广和应用。但由于技术 水平和市场利益的原因，使现场总线生产厂商出于保护各自市场的考虑制定了 各自的现场总线标准，各种现场总线协议并没有统一，不同协议的控制系统不 易互连，设备价格居高不下，在很大程度上限制了现场总线的进一步发挥。经 过了长达1 8 年的纷争之后，现已趋向于多种标准共存。 6浙江大学学位论文 其次，由于当时技术水平限制，现场总线的通讯速率较低，传输速度慢，二 次开发成本较高，也限制了现场总线的高层次应用的开发【4 】。另外，现场总线 通讯协议与上层管理信息系统或i n t e m e t 广泛采用的t c p i p 协议是不兼容的。 这些都增加了一体化信息网络实现的难度。 1 3 3 开放式网络控制系统 以工业以太网或i n t e r n e t 为网络架构的网络控制系统，相比以往的传统网络 控制系统很大的区别在于其开放性，所用协议都已经成熟并为大众所广泛使用， 而开发此种网络控制系统的目的也在于扩大系统的开放性，最大范围地利用资 源，从而提高通用性、降低费用和方便使用。另外，我们也可看到，从某种意义 上说，网络控制的发展也可以视为开放程度逐步升级的过程。开放性是现代网 络发展孜孜不倦所追求的目标。于是，本文将工业以太网或i n t e r n e t 所构成的网 络控制系统归类到开放式网络控制系统。而这两者中又由于i n t e r n e t 的更为普遍 的适用性，但却在控制方面缺乏足够的研究，而成为本文的重点研究方向。 1 3 3 1工业以太网技术的应用 为了改进现场总线的性能、改善与企业内部信息网络的集成，许多p l c 和现场总线厂商和行业组织引进了以太网技术，如m o d b u so r g a n i z a t i o n 推出 的m o d b u s t c p s ，解决方案支持的公司有s c h n e i d e re l e c t r i c ( 施奈德电气) 公 司h m s 公司和g r a y h i l l 公司等，由洛克威尔下属的a bf a l l e nb r a d l e y ) 公司推出 分别由o d v af o p e nd e v i c e n e tv e n d o r sa s s o c i a t i o n ) 和c o n t r o i n e ti n t e r n a t i o n a l 两个协会维护管理的e t h e r n e t i p 【6 】( t c p i p j ：的c o n t r o l n e t d e v i c e n e t 对象) ， 解决方案支持的公司有r o c h w e l la u t o m a t i o n ( 洛克威尔) 公司和h o n e y w e l l ( 霍 尼威尔) 公司等以及p r o f l b u s 公司推出的p r o f i b u so ne t h e r n e t z 解决方案支持的 公司有s i e m e n s 等。 以太网技术在这些方案中都是应用在控制网络的信息层和控制层的。这些 解决方案在一定程度上弥补了现场总线系统只适用于设备层的数据i o 功能， 而缺乏控制层和信息层应用的缺陷。控制设备生产商为了扩大各自标准的影响， 抢占市场份额，纷纷成立了旨在维护和统一各自标准的协会和组织。显然这是 现场总线系统为了适应市场的需要而做出的改进。虽然这些技术提高了现场总 线系统的性能，但是也继承了其缺陷，基于这些技术的控制网络，成本依然很 第一章绪论7 高，和企业信息网络的集成依然需要专用的接口卡和软件，这些都限制了其在 工业现场的应用。为了突破现场总线控制系统发展中出现的瓶颈，适应企业管 控一体化的要求，实现企业信息层控制层和设备层的无缝连接，降低系统造价， 提高系统性能，必须寻找一种新的控制系统网络技术。 工业以太网是一个有效的解决方法。以太网技术是最符合网络控制系统现 场总线特点( 数字式互联网络、互操作性、开放性和高网络性能) 的技术。以太网 是世界上应用最为广泛的计算机通信技术之一，受到广泛的开发技术支持。而 且以太网已被使用多年，具有大量的软、硬件资源和开发设计经验。 以太网上层应用的t c p i p 协议也已经开发得比较成熟。绝大多数p c 机 均提供以太网接口，操作系统也已经配备了t c p i p 协议。以太网适配器及 相关产品价格低廉，一块以太网网卡的价格只是p r o f i b u s 、f f 等现场总线网 卡的一小部分。许多现场总线标准已经向上支持以太网。其中主流现场总 线f f 在2 0 0 0 年3 月宣布将采用以太网。以太网的应用前景光明：工业自动化控制 系统的网络结构发展越来越分散，同时系统越来越复杂，内部的连接越来越高 速化、紧密化。更多的是系统细分成了独立的控制孤岛。对驱动器和用户接口 的需求越来越多。传统的可编程序控制器p l c 不适合系统拓扑结构的分散化需 求。分布式实时控制的前提及其确定性的概念是一种网络技术，其性能至少要 高于现行的现场总线。这也就是为什么传统的p l c 技术不能满足这一要求，现 场总线技术也不能提供相关的性能的原因。 目前，工业以太网控制网络技术是一种新兴的网络控制技术，目前尚无统 一的工业标准，而其延用的商业以太网的许多标准不能完全满足工业应用的需 求，只适合于工业控制网络系统的信息层应用。以太网只能部分代替现场总线 作用，将以太网用于现场i o 级，则是目前工控领域研究的关注焦点之一。目前 国际上对工业以太网的研究和应用是一个热点，许多的传统工业控制设备生产 商纷纷投入巨资，研究和开发具有以太网接入能力的控制产品，国内也有许多 研究机构开始了对工业以太网的研究。 1 3 3 2 与i n t e r n e t 的结合 在“网络无所不在”的形势下，网络技术在控制领域的广泛且深入的应用， 不可避免地引起网络与控制交叉学科的发展，人们迫切希望通过i n t e r n e t 来管 理生产过程和外界的联系。而i n t e r n e t 、i n t r a n e t 之间的互联使这种希望成为可 能。借鉴成熟的计算机软硬件和网络技术，可以进一步降低控制系统的成本和 8浙江大学学位论文 系统开放性，也没有协议转换问题，成为控制网络和信息网络集成的合适解决 方案【8 】【9 】。 控制系统采用统一的网络协议和结构模型也已经成为当今控制界的共 识。t c p i p 协议是一个跨平台的通信协议，能方便的实现异种机互联，它使 计算机信息网络及i n t e r n e t 飞速发展。于是，t c p i p 协议由信息网络向底层控 制网络延伸和扩展，形成控制与信息一体化全开放式网络，符合计算机、网络 和控制技术融合的潮流，是逻辑的必然。这样，使得除了工业以太网外，利用 以t c p i p 为基础的互联网( i n t e r n e t ) 成为网络化控制的研究内容之一。其实，以 太网是构成局域网( l a n ) 的主要方式，同时它也可向城域网和广域网覆盖。如 果局域网连接到互联网上，局域网上的各节点也随之成为互联网上的节点之一。 正是这一特点使利用以太网构建的网络控制系统也能够融入并向互联网扩展。 在这种扩展研究中，基于互联网的远程控制系统成为了主要的研究内容，有电 机控制【l o 】、生产制造【1 1 】、远程机器人( t e l e r o b o t ) 【1 2 1 、外科手术【1 3 等。这些基 于i n t e m e t 的远程控制系统，借助其覆盖全球的优势，使得用户可以在互联网的 任何节点上都可以完成控制操作，从而使以上的各领域的系统不再限定于某一 群人，某一地点，而成为真正意义上的共享资源。 互联网和以太网都是基于t c p i p 协议的网络，与以太网相比；互联网内部 各种网络连接设备品种类别更加繁多，结构与特性更加复杂【1 4 l 。但由于互联网 前所未有的开放性，使得基于互联网的远程控制技术的发展逐渐成为了一个新 的技术方向。伴随着互联网的发展，网络服务的种类与数量迅速增加，利用互 联网构建的生产监视系统己经出现并成为互联网的推动力量。 1 4 基于i n t e r n e t 网络控制的相关情况 研究基于i n t e m e t 的网络控制系统，首先应从i n t e r n e t 自身开始。 1 4 1 i n t e r n e t 的发展 i n t e m e t 的原型是1 9 6 9 年美国国防部远景研究规划局( a d v a n c e dr e s e a r c h p r o j e c t sa g e n c y ) 为军事实验用而建立的网络， 为a r p a n e t ( 阿帕网) ，初 期只有四台主机，其设计目标是当网络中的一部分因战争原因遭到破坏时，其 余部分仍能正常运行；8 0 年代初期a r p a 和美国国防部通信局研制成功用于 异构网络的t c p i p 协议并投入使用；1 9 8 6 年在美国国会科学基金会( n a t i o n a l 第一章绪论 9 s c i e n c ef o u n d a t i o n ) 的支持下，用高速通信线路把分布在各地的一些超级 计算机连接起来，以n f s n e t 接替a r p a n e t ；进而又经过十几年的发展形 成i n t e r n e t 。其应用范围也由最早的军事、国防，扩展到美国国内的学术机构， 进而迅速覆盖了全球的各个领域。运营性质也由科研、教育为主而逐渐转向商 业化。 1 9 9 0 年4 月，世界银行贷款项目，中关村地区教育与科研示范网络( n c f c ) 工程开始启动，是由世界银行贷款“重点学科发展项目”中的一个高技术信息 基础设施项目，由国家计委、国家科委、中国科学院、国家自然科学基金会、 国家教委配套投资和支持。1 9 9 4 年4 月初，由中美两国政府代表团参加的中美 科技合作联委会在美国华盛顿举行。会上，中科院副院长胡启恒院士代表中 国政府向美国国家科学基金会( n s f ) 正式提出要求连入i n t e r n e t ，并得到认 可。1 9 9 4 年4 月2 0 曰，n c f c 工程通过美国s p r i n t 公司连入i n t e r n e t 的6 4 k 国际专 线开通，实现了与i n t e r n e t 的全功能连接。从此中国被国际上正式承认为真正拥 有全功能i n t e r n e t 的国家。此事被我国新闻界评为1 9 9 4 年中国十大科技新闻之 一，被国家统计公报列为中国1 9 9 4 年重大科技成就之一。 1 9 9 7 年，经原国务院信息办和c n n i c 工作委员会研究，决定由中国互联网 络信息中心( c n n i c ) 联合四个互联网络单位，对我国i n t e r n e t 上网计算机、用户 人数、用户分布、信息流量分布、域名注册等方面进行统计工作。从1 9 9 7 年1 1 月 开始第一次发布“中国i n t e r n e t 发展状况统计报告”， i j 2 0 0 6 年1 月1 7 日，c n n i c 在 京发布“第十七次中国互联网络发展状况统计报告”【15 】。报告显示，截 至2 0 0 5 年1 2 月3 1 日，我国上网用户总数突破1 亿，为1 1 1 亿人，其中宽带上网 人数达 ! ) j 6 4 3 0 万人。目前，我国网民数和宽带上网人数均位居世界第二。国家顶 级域名c n 注册量首次突破百万，达j ! u 1 0 9 万，成为国内用户注册域名的首选，稳 居亚洲第一。上网计算机数达n 4 9 5 0 万台，网络国际出口带宽达至i j l 3 6 1 0 6 m ，网 站数达到6 9 4 万个。i p 地址总数达至u 7 4 3 9 万个，仅次于美国和日本，位居世界第 = o 在互联网使用方面，数据统计表明，1 8 2 的网民使用笔记本电脑上网， 同比增长8 0 0 多万人；网民平均每周上网1 5 9 个小时，同比增加2 7 d , 时，增幅 为2 0 5 。1 82 2 点上网人数增加了8 个西分点，上网高峰日趋凸显。报告首次统 计了网民上网费用，结果显示2 0 0 5 年全国上网费用总规模已经超过1 0 0 0 亿元， 这足以显示我国互联网巨大的市场规模和发展潜力。 浙江大学学位论文 i n t e r n e t 的迅速普及和广泛应用对计算机技术的发展产生深刻影响，围 绕i n t e r n e t 蓬勃发展的新技术正在成为未来的竞争焦点，控制领域也不可避免的 由此引发了一次深刻的技术变革。控制系统结构向网络化、开放性方向发展将 是控制系统技术发展的主要潮流。随着交换式以太网的的应用和千兆以太网等 技术的出现，使得网络化的工业控制系统在实时性和确定性等方面得到了较大 的改善，同时，分布式计算技术的发展，也为控制系统的网络化提供了新的可能 和思路。 i n t e m e t 最主要的特点是它可以让在不同类型网络上的运行着不同操作系 统的不同类型的计算机都有能力访问同一信息资源【1 6 1 。这样信息交互双方所构 建的系统就实现了网络无关性和软硬件平台无关性。这种无关性正是网络控制 系统，尤其是基于互联网的控制系统所需要的。 1 4 2i n t e r n e t 的复杂性 i n t e r n e t 的复杂性主要体现在其庞大的规模、普遍的异构性和显著的动态 性这三方面在人类的文明史上，恐怕很难再找出象i n t e r n e t 那样发展迅猛的技 术了。中国互联网络信息中- l , ( c n n i c l 的调查结果表明至u 2 0 0 5 年1 2 月3 1 日为止， 我国的上网计算机数目达到了4 9 5 0 万台。如此规模庞大的互联网络体系使得网 络的运行控制、