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鄭揚帆
1 概述
DCS為英文Distributed Control System的縮寫(xiě)，中文譯為分散控制系統。眾所周知，DCS是現代機組啟停和運行的中樞系統，其區別于傳統控制系統的關(guān)鍵就在于具有一個(gè)完善的通訊系統，可以及時(shí)、準確地在DCS各相關(guān)子系統中傳遞大量數據，從而使各子系統能夠有機結合，共同完成復雜系統的自動(dòng)化控制，最終使整個(gè)DCS成為一個(gè)有機整體。
DCS通訊系統的重要性使世界上各DCS廠(chǎng)商長(cháng)期以來(lái)一直致力于DCS通訊網(wǎng)絡(luò )的完善和發(fā)展。盡管各廠(chǎng)商由于發(fā)展觀(guān)點(diǎn)不同而導致各自DCS的通訊體系和網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型有所差別，但是發(fā)展方向卻是一致的，即提高通訊實(shí)時(shí)性、增加有效傳輸帶寬和加強系統可靠性。比較各主要DCS可以發(fā)現，基于整個(gè)系統的開(kāi)放性、易用性和可靠性考慮，同時(shí)考慮到不同層次對通訊的不同要求，各DCS一般都采用分層體系，將整個(gè)通訊系統合理劃分為多個(gè)層次，每一層的通訊速度和網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型都有所不同。但是，從工業(yè)控制的角度出發(fā)，一個(gè)完善的通訊系統應該滿(mǎn)足以下兩方面要求：① 通訊等待時(shí)間不因通訊負荷上升而顯著(zhù)增加；② 最大通訊延時(shí)應可控制。
一般說(shuō)來(lái)，DCS通訊系統各個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò )都是在一個(gè)相對小的范圍內使用，均屬于局域網(wǎng)范圍，因此局域網(wǎng)的各種類(lèi)型對DCS來(lái)講都是可用的，典型的如令牌網(wǎng)和以太網(wǎng)兩大類(lèi)。近年隨著(zhù)各種高速局域網(wǎng)技術(shù)的出現，FDDI網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)也相繼引入DCS。
令牌網(wǎng)、以太網(wǎng)和FDDI各具特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域都有成功的應用業(yè)績(jì)，各廠(chǎng)商可以根據需要加以靈活選擇。根據筆者觀(guān)點(diǎn)，從發(fā)展角度看，以太網(wǎng)和FDDI將在DCS主干通訊網(wǎng)絡(luò )中得到進(jìn)一步使用：以太網(wǎng)的優(yōu)勢是廉價(jià)、高速，低負荷時(shí)具有良好的性能，對中小型DCS來(lái)講不失為一個(gè)比較理想的選擇；而FDDI作為一種確定性的高速、高容錯性網(wǎng)絡(luò )，能夠滿(mǎn)足大型復雜系統自動(dòng)化控制的苛刻要求。當然，最后需要說(shuō)明的是，一個(gè)成熟的DCS，通訊網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型選擇只是決定通訊系統效率的一個(gè)重要方面，但不是唯一，還有許多其它關(guān)鍵技術(shù)可以用來(lái)提高整個(gè)DCS的通訊效率和通訊實(shí)時(shí)性，譬如網(wǎng)絡(luò )分段技術(shù)、信息壓縮技術(shù)以及事件報告技術(shù)等。
2 DCS通訊網(wǎng)絡(luò )介紹
2.1 令牌網(wǎng)
(1) 令牌網(wǎng)通訊特點(diǎn)
令牌網(wǎng)通訊技術(shù)的核心是采用受控通訊技術(shù)，該技術(shù)類(lèi)似于早期的傳遞輪詢(xún)技術(shù)，但不由中心集中控制，而是通過(guò)采用一個(gè)被稱(chēng)為令牌的特殊格式幀來(lái)控制網(wǎng)絡(luò )上各個(gè)節點(diǎn)的發(fā)送權，該令牌按照特定的順序在各個(gè)節點(diǎn)之間傳遞[1]。由于每一個(gè)節點(diǎn)持有令牌的時(shí)間是有限制的，這樣任何一個(gè)網(wǎng)上節點(diǎn)等待令牌到來(lái)的時(shí)間都是可控的，即存在一個(gè)最大等待時(shí)間，因此任何一個(gè)網(wǎng)上節點(diǎn)在特定的時(shí)間間隔內都有機會(huì )拿到令牌進(jìn)行數據傳送，這種傳輸特性就是網(wǎng)絡(luò )傳輸的確定性。在確定性傳輸網(wǎng)絡(luò )中，任何通訊負荷下最大通訊延遲均可控制，通訊等待時(shí)間不隨負荷的上升而顯著(zhù)上升。與此同時(shí)，由于采用受控通訊技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )上的任何數據傳輸不會(huì )出現沖突情況，從而保證了優(yōu)質(zhì)高效的數據傳送，這樣，即使在重負荷下整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的通訊性能也非常好。研究表明，令牌網(wǎng)在90%通訊負荷下仍能夠保證很好的性能[2]。除此之外，令牌網(wǎng)技術(shù)下可以設定各種數據幀的優(yōu)先級，從而可以保證重負荷下關(guān)鍵數據的及時(shí)傳送。
(2) 令牌總線(xiàn)網(wǎng)
按照網(wǎng)絡(luò )拓撲結構劃分，令牌網(wǎng)可以分為令牌環(huán)網(wǎng)和令牌總線(xiàn)網(wǎng)兩大類(lèi)。令牌環(huán)技術(shù)是最早實(shí)現的令牌網(wǎng)技術(shù)，整個(gè)環(huán)路是通過(guò)一段點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路連接起來(lái)的，從而易于令牌傳輸技術(shù)的實(shí)現。但令牌環(huán)的缺點(diǎn)就是所有節點(diǎn)與環(huán)路之間的干線(xiàn)耦合器為有源器件，其可靠性比一般無(wú)源的總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )要低，另外，環(huán)網(wǎng)上節點(diǎn)的接入也相對不便。令牌總線(xiàn)網(wǎng)則綜合了總線(xiàn)網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，在物理上是一個(gè)總線(xiàn)網(wǎng)，但在邏輯上又是一個(gè)令牌網(wǎng)，因而它不僅具有總線(xiàn)網(wǎng)接入方便和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而且具有令牌網(wǎng)的傳輸無(wú)沖突和有確定性的最大傳輸時(shí)延的優(yōu)點(diǎn)，因此，令牌總線(xiàn)技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應用。令牌總線(xiàn)網(wǎng)的最大缺點(diǎn)就是媒體接入層的算法實(shí)現相對復雜。
(3) 令牌網(wǎng)優(yōu)缺點(diǎn)分析
令牌網(wǎng)由于具有傳輸確定性、優(yōu)先級控制和重載下的高性能等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)而被公認為非常適合于工業(yè)控制系統使用的通訊網(wǎng)絡(luò )。時(shí)至今日，令牌網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中仍然得到了最為廣泛的使用。與以太網(wǎng)相比，令牌網(wǎng)技術(shù)還有一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)：在數據傳輸過(guò)程中，令牌網(wǎng)技術(shù)使用了轉發(fā)技術(shù)，數據流經(jīng)過(guò)每一個(gè)節點(diǎn)后波形都得到了重新整形和放大，從而使得節點(diǎn)之間的傳輸距離大大增加。但由此增加的總傳輸時(shí)延非常小，譬如在令牌環(huán)網(wǎng)中每個(gè)節點(diǎn)只造成一個(gè)比特的傳輸時(shí)延。
令牌網(wǎng)技術(shù)的主要缺點(diǎn)就是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )在任何負荷下都要因為等待令牌而引入附加時(shí)延，這種時(shí)延在低負荷下就相對明顯。另外，令牌網(wǎng)還有一個(gè)顯著(zhù)缺點(diǎn)就是由于需要支付較高的專(zhuān)利費用而導致與令牌網(wǎng)相關(guān)的硬件價(jià)格都較高，從而大大限制了其在普通網(wǎng)絡(luò )中的應用。
2.2 以太網(wǎng)
(1) 以太網(wǎng)通訊特點(diǎn)
以太網(wǎng)是一種由美國施樂(lè )公司、DEC公司和Intel公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的局域網(wǎng)，其傳輸媒介非常廣泛，根據情況可以選擇各式銅纜、雙絞線(xiàn)和光纖等。從誕生之日起，以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展就十分迅速，網(wǎng)絡(luò )傳輸速度從早期10Mbps逐漸發(fā)展到目前的1 000Mbps，網(wǎng)絡(luò )機理從早期的共享式發(fā)展到目前盛行的交換式，網(wǎng)卡工作方式從單工發(fā)展到全雙工。
以太網(wǎng)的主要通訊特點(diǎn)是隨機接入、載波偵聽(tīng)、碰撞檢測和沖突競爭。而目前通用的以太網(wǎng)標準是IEEE802.3，該標準使用了CSMA/CD（帶沖突檢測的載波監聽(tīng)多點(diǎn)接入）傳輸協(xié)議。根據該傳輸協(xié)議，任何需要傳輸數據的節點(diǎn)首先要監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )，如果網(wǎng)絡(luò )繁忙則堅持監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )，一旦網(wǎng)絡(luò )空閑就發(fā)送數據，在發(fā)送數據過(guò)程中繼續監聽(tīng)，如果檢測到?jīng)_突則立即停止發(fā)送并發(fā)出一個(gè)強化沖突的干擾信號，通知所有節點(diǎn)此時(shí)網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)發(fā)生沖突，此時(shí)沖突各方主動(dòng)退避隨機等待一段時(shí)間后再重新監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )。
分析發(fā)現，以太網(wǎng)沖突主要有兩個(gè)來(lái)源：① 在某一時(shí)刻有可能不止一個(gè)節點(diǎn)在監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )，因此一旦網(wǎng)絡(luò )空閑就有可能多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數據而造成沖突；② 節點(diǎn)之間由于有距離而存在傳輸延遲，因此當網(wǎng)絡(luò )上已有節點(diǎn)在發(fā)送數據但是還沒(méi)有傳輸到某個(gè)需要發(fā)送數據的節點(diǎn)時(shí)，該節點(diǎn)則將監聽(tīng)到網(wǎng)絡(luò )空閑而發(fā)送數據，從而造成沖突。因此，從理論上講，采用標準工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)將不可避免地造成沖突，研究表明，沖突隨著(zhù)通訊負荷的上升而急劇增加，而在低負荷下則很少。更為嚴重的是，標準以太網(wǎng)從純理論角度講有可能出現“孤島”現象，即某些節點(diǎn)在一段時(shí)間內可能得不到傳輸數據的機會(huì )，其原因是發(fā)生沖突后沖突各方需要隨機等待一段時(shí)間后再重新偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )，但此時(shí)又可能會(huì )繼續導致沖突，從而造成“監聽(tīng)―發(fā)送―沖突一等待一再監聽(tīng)”的循環(huán)狀態(tài)，這對于某些重要數據的及時(shí)傳送是相當不利的。IEEE802.3規定，對多次發(fā)送失敗的數據幀采取放棄傳送處理，同時(shí)往上層報告，由上層確定是否重發(fā)。
由上述分析發(fā)現，以太網(wǎng)具有傳輸不確定性的特點(diǎn)，任何變量都不能完全確保在合適時(shí)間內發(fā)送成功。除此之外，為了分辨無(wú)效幀，以太網(wǎng)規定了64字節的最小數據幀長(cháng)度，因此當發(fā)送的數據很短，譬如只有一個(gè)字符時(shí)，將造成顯著(zhù)的帶寬浪費。
(2) 交換式以太網(wǎng)
傳統以太網(wǎng)由于采用總線(xiàn)競爭的方式因而不可避免地存在沖突，為了有效提高以太網(wǎng)的傳輸效率，減少沖突，就需要盡可能地減少總線(xiàn)競爭，交換式以太網(wǎng)就是根據這個(gè)思路而開(kāi)發(fā)出來(lái)的新一代以太網(wǎng)[2]。交換式以太網(wǎng)通過(guò)采用星形布線(xiàn)方式，所有節點(diǎn)都分別連接到一個(gè)交換式集線(xiàn)器的端口上，而交換式集線(xiàn)器內置一個(gè)復雜的交換陣列，在任何兩個(gè)端口之間都可以建立起一個(gè)傳輸信道，以標稱(chēng)傳輸速度傳輸數據。與傳統總線(xiàn)共享式以太網(wǎng)相比，交換式以太網(wǎng)不存在總線(xiàn)競爭而顯著(zhù)提高了整個(gè)系統的傳輸效率。需要注意的是，交換式以太網(wǎng)同樣不能控制最大傳輸時(shí)延，因為同一時(shí)刻有可能有多個(gè)節點(diǎn)需要與同一個(gè)節點(diǎn)傳輸數據，但此時(shí)只有一個(gè)節點(diǎn)才能成功地與目的節點(diǎn)建立起傳輸信道，其余節點(diǎn)只能處于等待狀態(tài)。
(3) 以太網(wǎng)優(yōu)缺點(diǎn)分析
以太網(wǎng)具有安裝方便、價(jià)格低廉等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，在低負荷下由于不必等待令牌的到來(lái)而基本上沒(méi)有時(shí)延，是當今發(fā)展最為迅速的局域網(wǎng)技術(shù)，市場(chǎng)份額也占絕對的統治地位。以太網(wǎng)的最大缺點(diǎn)就是發(fā)送時(shí)延的不確定性和重載下的低性能。
(4) 以太網(wǎng)在DCS中的應用
近年來(lái)，以太網(wǎng)在DCS主干通訊網(wǎng)絡(luò )中的使用呈穩步上升趨勢，其根本原因就是由于其價(jià)格非常低廉，在價(jià)格走低的同時(shí)傳輸速度卻穩步上升。通過(guò)采用廣泛使用的標準以太網(wǎng)產(chǎn)品，DCS廠(chǎng)商不僅能夠根據需要方便地升級整個(gè)通訊系統性能，而且更為重要的是大大減少廠(chǎng)商的研發(fā)投資，降低整個(gè)系統成本，提高競爭優(yōu)勢。所有這些對于資金和技術(shù)力量都不太雄厚的廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)是非常重要的，尤其是對于中國的各DCS開(kāi)發(fā)廠(chǎng)商。
以太網(wǎng)的致命缺點(diǎn)就是傳輸的不確定性和重載下的低性能，因此，為了有效減少傳輸延遲必須盡可能地減少以太網(wǎng)的通訊負荷。研究表明，20
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