试论电气工程与网络化控制系统研究

张超

【摘要】近年来，随着微电子技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，工业控制系统从模拟控制到数字控制，从DDS到PLC，从集散控制DCS到现场总线、工业以太网，从有线控制到无线控制。控制系统由单一、独立的系统发展到复杂、分级的集成系统。电气工程领域也是网络控制系统广泛渗透的领域之一，以下是几个网络控制在电气工程中的实际应用。

【关键词】电气；网络；系统

随着工业通信网络的发展，控制系统的结构发生了变化，网络控制系统便应运而生了。网络控制系统的发展同工业通信网络的发展有着密切的关系，因而对工业通信网络的发展历程、现状及发展趋势等予以必要的关注。

一、基于网络的闭环伺服控制系统

伺服控制系统是以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为驱动电路，以电动机为执行机构，在控制理论指导下组成的电力传动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的各种运动要求。 伺服系统的控制目标是：

（1）要求的位置、速度控制的精度高；

（2）要求系统动态响应快，稳定性好；

（3）启动力矩大，等等。

将网络引入控制系统后，则要求以网络闭环的伺服控制系统要保持原有系统的高精度、稳定性和较好的动态性能。针对伺服系统定位或跟踪精度高，响应速度快等特点，在以网络闭环的伺服系统中，如何补偿网络时延、数据包丢失等对系统稳定性和性能的影响成为亟待解决的问题。其次，针对系统实时性的要求，寻求的控制策略能在保证系统控制性能接近最优的情況下，减小算法运行时间，使得该方法具有较大的实际应用价值。

二、基于网络控制的逆变器并联系统

电力电子的通信应用与研究，越来越引起人们的重视。电力电子系统中的网络不仅仅是一般信息传递的媒介，更应成为控制系统的重要参与者。为提高电力电子系统的性能，可通过让网络配合控制环运行，利用网络的调度与控制器的控制使电力电子信息流能合理运动。逆变器是实现直流电能转换为交流电能的功率变换装置，在交流电动机变频调速系统、柔性交流输电系统、有源电力滤波器、不间断电源（UPS）、非空调列车的车轴发电机供电系统等得到了广泛的应用。为了扩展供电容量、实现冗余以提高系统的可靠性，需要实现逆变器并联技术。 根据并联系统运行时各个模块之间是否有信号连线，并联控制方案可以分成两大类：有互联信号线并联技术和无互联信号线并联技术。采用有互联信号线的控制方法是为了获得良好的并联特性而牺牲冗余度和增加复杂连线，采用无互联信号线的并联控制方法实现了冗余度但电流均分效果下降。因此一些学者综合这些方法的优劣，用网络取代复杂的连线，让逆变器并联系统既具有良好的冗余从而增加系统的可靠性，又能获得较好的电流均分特性。对于基于网络的逆变器并联系统，如何减小网络时延与数据包丢失的影响，从而提高系统的均流度等性能，是一个重要的课题。为了有利于系统在时延、数据包丢失等因素影响下，仍能稳定可靠运行，需从两方面着手进行研究，使系统在网络通信正常时能获得较好动静态性能，在网络异常时仍能稳定可靠运行。

三、分布式控制系统

20世纪70年代中期，Honeywell公司开发出TDC-2000，标志着工业控制领域出现了分布式控制系统（DCS），也称为集散型控制系统。早期的分布式控制系统DCS是在无网络统一标准的情况下完成的。当时的网络节点规模大约有 32～64个，通信距离约在1km以内，主要节点为控制站和操作站，拓扑结构以环型和总线型为主，通信介质多为同轴电缆，也有采用双绞线的，通信速率在1Mb/s 以内，节点内有“通信卡”等专用网络部件。这时的现场仪表大部分还是模拟仪表，少数专用设备有RS-232/RS-422/RS-485等串口，可以用于工业通信。分布式控制系统由集中监测管理部分、分散控制部分和通信部分组成，具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面良好、安装简单规范、运行安全可靠、调试方便和风险分散等特点。但处于生产过程底层的测控自动化系统采用一对一连线，导致布线量大、布线种类多、工程周期长、安装费用高和维护困难等问题；用电压、电流的模拟信号进行测量控制，导致可靠性和互操作性差，有时会使现场设备处于失控状态；或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。

四、工业无线通信

工业无线通信技术数十年来一直是石油、天然气和电力能源领域的数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）的一部分。 目前，在工业自动化领域中，无线通信技术协议主要有：对于适应较大传输覆盖面且有较大信息传输量的无线局域网，采用的协议是IEEE802.11系列；对于可用于现场设备层的无线短程网，采用的主流协议是IEEE802.15.4（ZigBee）；对于大数据容量的短程无线通信，则是IEEE802.15.3。其中，应用的重点是无线局域网和无线短程网，具体包括无线局域网（Wireless LAN，WLAN）技术、蓝牙（Bluetooth）技术、ZigBee 技术和射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）等。

五、工业以太网

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即 IEEE802.3标准）兼容。产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面要满足工业现场的需要。与各种现场总线相比，以太网具有非常明显的特点：开放性好、数据传输率很高、技术支持广泛、远程技术的应用、容易与信息网络集成从而有利于资源共享、支持多种的物理介质和拓扑结构、成本和费用低廉（以太网网卡和线缆的价格比大部分现场总线的网卡和线缆价格要便宜得多，约为 1/10）。

目前许多大公司的工业控制系统都是采用以太网来统一管理层的通信，而且各种现场总线也大多开发出以太网接口；同时，一些跨国公司和国际性组织都相继提出了以太网在工业现场使用的解决方案，并且制定了相应的工业以太网标准。以太网进入工业控制领域并“向下延伸”的趋势不可阻挡，其应用领域将不断地得到扩展，应用广度和深度也将继续扩大。透明结合，纵向透明通信，从管理层到现场层存取数据。

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