1 引言

　　當前網絡技術的迅速發(fā)展，給制造業(yè)帶來了新的變化和重大影響。網絡向控制領域的滲透引起了控制結構的改革，提高了控制效果，相應的也進一步促進了網絡技術的發(fā)展。網絡控制系統(tǒng)（networked control systems，簡稱ncs），即信號經過網絡進行傳輸?shù)拈]環(huán)控制系統(tǒng)[1-3]。它是計算機技術、通信技術與控制技術發(fā)展和融合的產物，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)向網絡化、集成化、分布化、節(jié)點智能化的發(fā)展趨勢。

　　歐美運動控制廠商陸續(xù)發(fā)布了基于100mb/s以太網的分布式智能控制系統(tǒng)，提出“網絡就是控制器”的觀點。其特點是：

　?。?）類似internet的結構，對數(shù)據(jù)的實時傳輸不需要編程，不需要考慮網絡的層次結構；

　?。?）對用戶來說，只有一組數(shù)據(jù)和一個程序，所有數(shù)據(jù)在網絡中只需表達一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復使用，網絡扮演真正服務器的作用；

　?。?）可連接到internet，實現(xiàn)整個工廠全球化聯(lián)網；

　?。?）以太網既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現(xiàn)場設備的現(xiàn)場總線，內部和外部的通信在此沒有什么區(qū)別，集線器技術被集成在每個控制器中，通過分配地址空間將內部通信從外部通信中分離出來。

2 以太網在工業(yè)應用中的不足

　　高速以太網的出現(xiàn)雖然縮短了響應時間，提高了網絡的性能，但并沒有完全解決其在工業(yè)控制中的問題。

　?。?）沒有根本解決不確定性

　　雖然目前以太網的傳輸速度大幅度提高，但它僅僅是上平均速度的提高，這對嚴格的實時控制系統(tǒng)來說是不可靠的。交換機的引入會增加網絡的復雜程度，而且交換機不能保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境中正常工作。即使增加以太網的帶寬，系統(tǒng)的效率也不會隨著帶寬的提高而線性增長。例如，具有6個16biti/o的系統(tǒng)，其巡回時間是1.9ms,其中數(shù)據(jù)在網絡上的傳遞時間為0.69ms,剩余的1.21ms是軟件延遲時間。由于軟件延遲時間不隨帶寬變化，因此在100mbps的快速以太網上，該系統(tǒng)的巡回時間是0.69/10+1.21=1.28ms?？梢钥闯鼍W絡速度提高到1000%，而巡回速度只提高了33%。

　?。?）帶寬利用率不高

　　如果建一個有6個i/o節(jié)點的網絡，每個節(jié)點有16bit的i/o，則該網絡的總通信量是6*2*72*8=6912bit，因為以太網實際幀長度為72個字節(jié)。而can總線的有效幀長只有64bit，且沒有最小數(shù)據(jù)包長度限制。相同的遠程i/o系統(tǒng)can只需6*2*64=768bit的通信量，是以太網效率的9倍。即使以太網最小幀長度為64個字節(jié)也足以使只有16 bit的 i/o不堪重負。

　?。?）安全性不高

　　以太網不能給現(xiàn)場設備供電，沒有冗余，不能及時恢復，一處故障可能會導致整個系統(tǒng)的癱瘓。與internet/intranet連接雖然可以實現(xiàn)控制網絡與數(shù)據(jù)信息網絡的接合，大大降低企業(yè)成本，但信息網絡的故障可能會導致工業(yè)控制網絡也不能正常工作，增大故障率，且黑客的存在使得控制網絡的信息安全受到了威脅。

　?。?）應用層定義正在形成新的互聯(lián)壁壘

　　以太網與工業(yè)現(xiàn)場控制相結合的一個重要出發(fā)點是以太網有良好的互聯(lián)性，當前眾多廠商開發(fā)的工業(yè)以太網在上層協(xié)議，特別是應用層上未形成統(tǒng)一的標準。例如,若要將modbus profibus、devicenet、controlnet、canopen協(xié)議轉換到tcp/ip上，把多種不同的協(xié)議應用于同一網絡，并讓它們與同一主機在同一時間對話，則每種協(xié)議都要有一個driver。因此，供應商設計了不同的協(xié)議，并把它們統(tǒng)稱為工業(yè)ethernet網，但是它并未真正解決通用標準的問題。

3 基于ethernet的網絡控制系統(tǒng)設計原理

　　在網絡運動控制系統(tǒng)的運行過程中，所有控制設備都是以網絡形式連接的，可以實現(xiàn)遠距離的調速及控制參數(shù)的設定等。由于現(xiàn)場總線可以把多個設備連接成網絡，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，實現(xiàn)網絡上的設備與計算機的通訊和控制。所以采用現(xiàn)場總線可以方便地建立遠程多機調速系統(tǒng)。

　　現(xiàn)場總線運動控制系統(tǒng)一般由多個分布傳動點構成，其交/直流調速系統(tǒng)網絡化設計如圖1所示。該網絡化系統(tǒng)主要由變送器、交/流伺服驅動器、交/流伺服電機、現(xiàn)場總線、plc控制器或獨立式運動控制器、控制計算機等構成。在此網絡化系統(tǒng)基礎上，通過遠程網絡進一步構成遠程控制系統(tǒng)。