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鄭揚(yáng)帆
1 概述
DCS為英文Distributed Control System的縮寫，中文譯為分散控制系統(tǒng)。眾所周知，DCS是現(xiàn)代機(jī)組啟停和運(yùn)行的中樞系統(tǒng)，其區(qū)別于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵就在于具有一個(gè)完善的通訊系統(tǒng)，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地在DCS各相關(guān)子系統(tǒng)中傳遞大量數(shù)據(jù)，從而使各子系統(tǒng)能夠有機(jī)結(jié)合，共同完成復(fù)雜系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，最終使整個(gè)DCS成為一個(gè)有機(jī)整體。
DCS通訊系統(tǒng)的重要性使世界上各DCS廠商長期以來一直致力于DCS通訊網(wǎng)絡(luò)的完善和發(fā)展。盡管各廠商由于發(fā)展觀點(diǎn)不同而導(dǎo)致各自DCS的通訊體系和網(wǎng)絡(luò)類型有所差別，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(qiáng)系統(tǒng)可靠性。比較各主要DCS可以發(fā)現(xiàn)，基于整個(gè)系統(tǒng)的開放性、易用性和可靠性考慮，同時(shí)考慮到不同層次對(duì)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(tǒng)合理劃分為多個(gè)層次，每一層的通訊速度和網(wǎng)絡(luò)類型都有所不同。但是，從工業(yè)控制的角度出發(fā)，一個(gè)完善的通訊系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下兩方面要求：① 通訊等待時(shí)間不因通訊負(fù)荷上升而顯著增加；② 最大通訊延時(shí)應(yīng)可控制。
一般說來，DCS通訊系統(tǒng)各個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)都是在一個(gè)相對(duì)小的范圍內(nèi)使用，均屬于局域網(wǎng)范圍，因此局域網(wǎng)的各種類型對(duì)DCS來講都是可用的，典型的如令牌網(wǎng)和以太網(wǎng)兩大類。近年隨著各種高速局域網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，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(yīng)用業(yè)績(jī)，各廠商可以根據(jù)需要加以靈活選擇。根據(jù)筆者觀點(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(shì)是廉價(jià)、高速，低負(fù)荷時(shí)具有良好的性能，對(duì)中小型DCS來講不失為一個(gè)比較理想的選擇；而FDDI作為一種確定性的高速、高容錯(cuò)性網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足大型復(fù)雜系統(tǒng)自動(dòng)化控制的苛刻要求。當(dāng)然，最后需要說明的是，一個(gè)成熟的DCS，通訊網(wǎng)絡(luò)類型選擇只是決定通訊系統(tǒng)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(bào)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)類似于早期的傳遞輪詢技術(shù)，但不由中心集中控制，而是通過采用一個(gè)被稱為令牌的特殊格式幀來控制網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送權(quán)，該令牌按照特定的順序在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳遞[1]。由于每一個(gè)節(jié)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(jié)點(diǎn)等待令牌到來的時(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(jié)點(diǎn)在特定的時(shí)間間隔內(nèi)都有機(jī)會(huì)拿到令牌進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這種傳輸特性就是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇_定性。在確定性傳輸網(wǎng)絡(luò)中，任何通訊負(fù)荷下最大通訊延遲均可控制，通訊等待時(shí)間不隨負(fù)荷的上升而顯著上升。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(shù)據(jù)傳輸不會(huì)出現(xiàn)沖突情況，從而保證了優(yōu)質(zhì)高效的數(shù)據(jù)傳送，這樣，即使在重負(fù)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(fù)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(shè)定各種數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)，從而可以保證重負(fù)荷下關(guān)鍵數(shù)據(jù)的及時(shí)傳送。
(2) 令牌總線網(wǎng)
按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分，令牌網(wǎng)可以分為令牌環(huán)網(wǎng)和令牌總線網(wǎng)兩大類。令牌環(huán)技術(shù)是最早實(shí)現(xiàn)的令牌網(wǎng)技術(shù)，整個(gè)環(huán)路是通過一段點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路連接起來的，從而易于令牌傳輸技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。但令牌環(huán)的缺點(diǎn)就是所有節(jié)點(diǎn)與環(huán)路之間的干線耦合器為有源器件，其可靠性比一般無源的總線型網(wǎng)絡(luò)要低，另外，環(huán)網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)的接入也相對(duì)不便。令牌總線網(wǎng)則綜合了總線網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，在物理上是一個(gè)總線網(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，令牌總線技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。令牌總線網(wǎng)的最大缺點(diǎn)就是媒體接入層的算法實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)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(jí)控制和重載下的高性能等顯著優(yōu)點(diǎn)而被公認(rèn)為非常適合于工業(yè)控制系統(tǒng)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)顯著優(yōu)點(diǎn)：在數(shù)據(jù)傳輸過程中，令牌網(wǎng)技術(shù)使用了轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，數(shù)據(jù)流經(jīng)過每一個(gè)節(jié)點(diǎn)后波形都得到了重新整形和放大，從而使得節(jié)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(jié)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(fù)荷下都要因?yàn)榈却钆贫敫郊訒r(shí)延，這種時(shí)延在低負(fù)荷下就相對(duì)明顯。另外，令牌網(wǎng)還有一個(gè)顯著缺點(diǎn)就是由于需要支付較高的專利費(fèi)用而導(dǎo)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(yīng)用。
2.2 以太網(wǎng)
(1) 以太網(wǎng)通訊特點(diǎn)
以太網(wǎng)是一種由美國施樂公司、DEC公司和Intel公司聯(lián)合開發(fā)的局域網(wǎng)，其傳輸媒介非常廣泛，根據(jù)情況可以選擇各式銅纜、雙絞線和光纖等。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(jī)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(jī)接入、載波偵聽、碰撞檢測(cè)和沖突競(jìng)爭(zhēng)。而目前通用的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.3，該標(biāo)準(zhǔn)使用了CSMA/CD（帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入）傳輸協(xié)議。根據(jù)該傳輸協(xié)議，任何需要傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)首先要監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)繁忙則堅(jiān)持監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，一旦網(wǎng)絡(luò)空閑就發(fā)送數(shù)據(jù)，在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中繼續(xù)監(jiān)聽，如果檢測(cè)到?jīng)_突則立即停止發(fā)送并發(fā)出一個(gè)強(qiáng)化沖突的干擾信號(hào)，通知所有節(jié)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(jī)等待一段時(shí)間后再重新監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。
分析發(fā)現(xiàn)，以太網(wǎng)沖突主要有兩個(gè)來源：① 在某一時(shí)刻有可能不止一個(gè)節(jié)點(diǎn)在監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，因此一旦網(wǎng)絡(luò)空閑就有可能多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)而造成沖突；② 節(jié)點(diǎn)之間由于有距離而存在傳輸延遲，因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上已有節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)但是還沒有傳輸?shù)侥硞€(gè)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)則將監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)空閑而發(fā)送數(shù)據(jù)，從而造成沖突。因此，從理論上講，采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)將不可避免地造成沖突，研究表明，沖突隨著通訊負(fù)荷的上升而急劇增加，而在低負(fù)荷下則很少。更為嚴(yán)重的是，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)從純理論角度講有可能出現(xiàn)“孤島”現(xiàn)象，即某些節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)可能得不到傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，其原因是發(fā)生沖突后沖突各方需要隨機(jī)等待一段時(shí)間后再重新偵聽網(wǎng)絡(luò)，但此時(shí)又可能會(huì)繼續(xù)導(dǎo)致沖突，從而造成“監(jiān)聽―發(fā)送―沖突一等待一再監(jiān)聽”的循環(huán)狀態(tài)，這對(duì)于某些重要數(shù)據(jù)的及時(shí)傳送是相當(dāng)不利的。IEEE802.3規(guī)定，對(duì)多次發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)幀采取放棄傳送處理，同時(shí)往上層報(bào)告，由上層確定是否重發(fā)。
由上述分析發(fā)現(xiàn)，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(nèi)發(fā)送成功。除此之外，為了分辨無效幀，以太網(wǎng)規(guī)定了64字節(jié)的最小數(shù)據(jù)幀長度，因此當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)很短，譬如只有一個(gè)字符時(shí)，將造成顯著的帶寬浪費(fèi)。
(2) 交換式以太網(wǎng)
傳統(tǒng)以太網(wǎng)由于采用總線競(jìng)爭(zhēng)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?zèng)_突，就需要盡可能地減少總線競(jìng)爭(zhēng)，交換式以太網(wǎng)就是根據(jù)這個(gè)思路而開發(fā)出來的新一代以太網(wǎng)[2]。交換式以太網(wǎng)通過采用星形布線方式，所有節(jié)點(diǎn)都分別連接到一個(gè)交換式集線器的端口上，而交換式集線器內(nèi)置一個(gè)復(fù)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(biāo)稱傳輸速度傳輸數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)總線共享式以太網(wǎng)相比，交換式以太網(wǎng)不存在總線競(jìng)爭(zhēng)而顯著提高了整個(gè)系統(tǒng)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?yàn)橥粫r(shí)刻有可能有多個(gè)節(jié)點(diǎn)需要與同一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，但此時(shí)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)才能成功地與目的節(jié)點(diǎn)建立起傳輸信道，其余節(jié)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)格低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)，在低負(fù)荷下由于不必等待令牌的到來而基本上沒有時(shí)延，是當(dāng)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(duì)的統(tǒng)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(yīng)用
近年來，以太網(wǎng)在DCS主干通訊網(wǎng)絡(luò)中的使用呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，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(wěn)步上升。通過采用廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)產(chǎn)品，DCS廠商不僅能夠根據(jù)需要方便地升級(jí)整個(gè)通訊系統(tǒng)性能，而且更為重要的是大大減少廠商的研發(fā)投資，降低整個(gè)系統(tǒng)成本，提高競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。所有這些對(duì)于資金和技術(shù)力量都不太雄厚的廠商來說是非常重要的，尤其是對(duì)于中國的各DCS開發(fā)廠商。
以太網(wǎng)的致命缺點(diǎn)就是傳輸?shù)牟淮_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(fù)荷。研究表明，20
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