第1章 绪论
1.1 网络化控制系统
随着计算机技术、通信技术与控制技术的不断发展和融合，控制系统逐渐向网络化、集成化、分布化、节点智能化的方向发展，网络化控制系统在各个领域得到了广泛的应用，成为控制界研究的一个热点。分布控制系统（DCS）、现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）以及基于工业以太网控制系统从某种意义上都可以划入网络化控制系统的范畴。
网络化控制系统也称为网络控制系统（Networked Control System，NCS），是指在网络环境下实现的控制系统，是现场总线控制网络技术在控制领域中的成功应用。下面从分析控制系统结构的发展历程看网络控制系统发展的必然趋势。
1.1.1 控制系统的发展历程
一般把20世纪50年代以前的气动控制系统（Pneumatic Control System，PCS）称为第一代控制系统，4～20mA等模拟信号控制系统称为第二代控制系统，数字计算机集中式控制系统称为第三代控制系统，20世纪70年代中期以来的集散式控制系统DCS称为第四代控制系统，现场总线系统称为第五代控制系统，也称为现场总线控制系统（FCS）。FCS作为新一代控制系统，一方面突破了DCS系统采用通信专用网络的限制，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制系统彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通信是新一代控制系统最显著的特征，下面主要介绍几种典型的控制系统。
1.操作指导控制系统
操作指导控制系统（Operational Information System，OIS）框图如图1.1所示，该系统不仅可以对生产过程中的大量参数作巡回采集、处理、分析、记录和超限报警，还可以通过对大量参数的积累和实时分析，实现对生产过程的各种趋势分析，为操作人员提供参考；或者计算出可供操作人员选择的最优操作条件及操作方案，操作人员则根据计算机输出的信息去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。
图1.1 操作指导控制系统框图
2.直接数字控制系统
直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）系统框图如图1.2所示。在计算机控制系统中，DDC系统是计算机用于工业生产过程控制的一种典型系统。在DDC系统中，使用计算机作为数字控制器，计算机除通过输入通道对多个工业过程参数进行巡回检测、采集外，还可按预定的调节规则进行控制计算，然后将运算结果通过输出通道提供给执行机构，使各个被控量达到预定的控制要求。
图1.2 直接数字控制系统框图
DDC系统中的计算机参与闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调节器、实现回路的调节，而且不需改变硬件，只通过改变程序就能有效地实现复杂的控制。由于DDC系统中的计算机直接承担控制任务，所以要求计算机的实时性好、可靠性高和适应性强。为充分发挥计算机的利用率，一台计算机通常要控制几个至几十个控制回路。
3.监督计算机控制系统
监督计算机控制（Supervisory Computer Control，SCC）系统是在直接数字控制系统上添加一级监督计算机而实现的。在此类系统中，生产过程的闭环自动调节依靠DDC系统或模拟调节器来完成，监督计算机的输出作为DDC系统或模拟调节器的设定值，这一设定值将根据生产工艺信息及采集到的现场信息，按照预定的数学模型或其他方法所确定的规律进行自动修改，使生产过程始终处于最优的工况（如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等）。
监督计算机控制系统框图如图1.3所示。这实际上是一个二级计算机控制系统，一级为SCC监控级，另一级为DDC控制级。SCC的作用与SCC+模拟调节器系统中的SCC一样，给出最佳给定值，送给DDC级计算机，直接控制生产过程。两级计算机之间通过通信接口进行信息联系，当SCC级计算机出现故障时，可由DDC级计算机代替，因此大大提高了系统的可靠性，一台SCC计算机可监督控制多台DDC系统。在早期，SCC与DDC通信一般采用RS232或RS485等通信方式。
图1.3 SCC+DDC控制系统框图
4.集散控制系统
集散控制系统（Distributed Control System，DCS）的核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离。上位机（工程师站或操作员站）用于实现集中监视管理功能，若干台下位机（现场控制站）下放分散到现场实现控制，各上、下位机之间用控制网络互联以实现相互之间的信息传递。集散控制系统结构示意如图1.4所示。
这种分级式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷，既实现了地理上和功能上的控制分散，又可以通过高速数据通道对各个分散点的信息集中监视和操作，并实现高级复杂规律的控制。另外，还留有和企业信息管理系统的接口。
各种型号的DCS尽管型号不同、功能各异，然而它们的基本结构模式都为“操作站—控制站—现场仪表（含传感器和执行器）”三层结构，操作站和控制站之间主要通过专用网络进行数据通信，控制站和现场仪表之间主要采用硬件连线（如4～20mA的模拟信号）进行互联。
图1.4 集散控制系统结构示意图
集散控制主要适合于大系统或复杂生产过程的控制，比较容易实现复杂的控制规律，系统是积木式结构，结构灵活、可大可小、易于扩展；系统可靠性高；采用CRT显示技术和智能操作，操作、监视十分方便。控制站与现场仪表之间大部分传输的仍然是4～20mA的模拟信号。
在集散控制系统中，分级式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用。但是，不同的DCS厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通信网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现网络互联和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具互操作性的分布式控制系统，且DCS造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。
5.现场总线控制系统
现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）是新一代分布式控制系统，现场总线通过一对传输线，可挂接多个设备，实现多个数字信号的双向传输，数字信号完全取代4～20mA的模拟信号，实现全数字通信。和DCS不同，FCS结构模式为“操作控制站—现场总线智能仪表”二层结构，因此可以降低成本，另外操作控制站A和B可以相互备份，提高可靠性。现场总线控制系统结构示意如图1.5所示。
由于现场总线是用于现场仪表与控制系统之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统，因此现场总线控制系统具有良好的开放性、互操作性和互用性。
图1.5 现场总线控制系统结构示意图
现场总线控制系统融合了智能化仪表、计算机网络和开放式系统互联（OSI）等技术的精髓，最初设计构想是形成一种开放的、互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，目标是要成为21世纪控制系统的主流产品。但由于目前现场总线标准和产品的多样性，因此无法发挥FCS的可互操作性优势。
6.以太网控制系统
为了克服现场总线控制系统的总线种类多的不足，基于工业以太网的网络化控制系统应运而生并迅速发展。基于工业以太网的多总线控制系统示意如图1.6所示。
工业以太网的控制系统不仅具有现场总线控制系统的特点，还具有其他网络无法比拟的优势，主要体现在：
（1）开放性：采用公开的标准和协议。
（2）平台无关性：可以选择不同厂家、不同类型的设备和服务。
（3）提供多种信息服务：提供E-mail、WWW、FTP等多种信息服务。
（4）图形用户界面：统一、友好、规范化的图形界面，操作简单，易学易用。
图1.6 基于工业以太网的多总线控制系统示意图
（5）信息传递：快速、准确。
（6）易于实现多现场总线的集成：相互包容，多种现场总线集成起来协同完成测控任务。
（7）易于实现多系统集成：现场总线控制系统与传统控制系统的集成；各种现场总线控制系统之间的集成；以太控制网络与信息网络的集成。集成主要体现在现场通信协议的相容、不同系统数据的交换以及组态、监控、操作界面的统一。
（8）易于实现多技术集成：设备互操作性技术、OPC[Object Linking and Embedding（OLE）for Process Control]技术、TCP/IP技术、现场总线设备管理技术和无线通信技术的集成。
1.1.2 网络化控制系统的结构
网络化控制系统这个词于1998年出现在马里兰大学Gregory C.Walsh等人的论著中，但并没有给出确切的定义，只是用图说明了网络控制系统的结构是指在网络环境下实现的控制系统，FCS是NCS的一种。
从如图1.7所示NCS的一般结构图可以看到，在网络控制系统中，分布在不同区域的各系统部件（如监视计算机、控制器、智能传感器、执行器）之间都通过共用的通信网络实现信息交换和控制信号的传递，整个系统通过通信网络实现闭环控制。
上一节谈到DCS尽管还不具备开放性，控制功能也相对集中，但适应了现场控制的需要，表现出网络化的结构特性，因此可以归为NCS的范畴。可以说DCS是一种松散连接的网络控制系统，对网络特性的要求不高。
图1.7 网络化控制系统结构
目前，真正意义上的网络化控制系统和通信网络是基于现场总线和工业以太网技术的。高速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自身的可靠性和开放性问题，实现了现场智能设备控制真正意义上的分布化和网络化。
工业以太网技术是当前NCS实现技术的研究热点之一。以太网是一种成熟、快速、开放互联的网络协议，标准带宽为10Mbit/s。近期发展的快速以太网（100Mbit/s）以及千兆以太网能够胜任整个企业范围的主干网络，分散的控制数据是增加带宽的要求之一。但是，以太网技术要真正运用到现场级，除需改进以太网的通信协议外，还需要解决网络的传输效率、本安防爆、总线供电等技术问题。只有解决这些问题，工业以太网才会成为NCS的主角。目前来看，基于现场总线技术的NCS仍然是主流，这也是本书讨论的重点。
1.1.3 网络化控制系统的特点
基于现场设备智能化和现场总线技术的网络化控制系统的主要技术特点如下。
1.结构网络化
网络控制系统最显著的特点体现在网络化体系结构上，支持总线型、星形、树形等拓扑结构，与分层控制系统的递阶结构相比，显得更加扁平和稳定。
2.节点智能化
带有CPU的智能化节点之间通过网络实现信息传输和功能协调，每个节点都是组成网络控制系统的一个细胞，且具有各自相对独立的功能。系统将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到智能化节点中完成，仅靠智能化节点即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
3.控制现场化和功能分散化
由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得原先由中央控制器实现的任务下放到智能化现场设备上执行，这使危险因素得到分散，从而提高了系统的可靠性和安全性。
4.系统开放化和产品集成化
网络控制系统是在遵循一定标准的公开通信协议的基础上进行开发的，是一个开放性（开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识和遵从）的系统，它可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。只要不同厂商根据统一标准开发自己的产品，这些产品之间便能实现互操作和集成。
5.对现场环境的适应性
工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用二线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
与传统意义上的控制系统相比，由于采用了现场总线技术，系统结构得以简化，这使得控制系统从设计到投入正常生产运行及其检修维护，都呈现出很多优点。例如，节省硬件数量与投资，节省安装费用，用户具有高度的系统集成主动权，提高了系统的准确性与可靠性。此外，由于设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单、易于重构等优点。由此可见，网络控制系统与传统的控制系统相比，大大减少了系统布线，简化了控制系统的物理结构，使系统资源共享，增强了系统的灵活性和扩展性，减轻了安装和维护的工作量。