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鄭揚帆
1 概述
DCS為英文Distributed Control System的縮寫，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鍵就在于具有一個完善的通訊系統，可以及時、準確地在DCS各相關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化控制，最終使整個DCS成為一個有機整體。
DCS通訊系統的重要性使世界上各DCS廠商長期以來一直致力于DCS通訊網絡的完善和發展。盡管各廠商由于發展觀點不同而導致各自DCS的通訊體系和網絡類型有所差別，但是發展方向卻是一致的，即提高通訊實時性、增加有效傳輸帶寬和加強系統可靠性。比較各主要DCS可以發現，基于整個系統的開放性、易用性和可靠性考慮，同時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，將整個通訊系統合理劃分為多個層次，每一層的通訊速度和網絡類型都有所不同。但是，從工業控制的角度出發，一個完善的通訊系統應該滿足以下兩方面要求：① 通訊等待時間不因通訊負荷上升而顯著增加；② 最大通訊延時應可控制。
一般說來，DCS通訊系統各個層次的網絡都是在一個相對小的范圍內使用，均屬于局域網范圍，因此局域網的各種類型對DCS來講都是可用的，典型的如令牌網和以太網兩大類。近年隨著各種高速局域網技術的出現，FDDI網和交換式以太網也相繼引入DCS。
令牌網、以太網和FDDI各具特點，在工業控制領域都有成功的應用業績，各廠商可以根據需要加以靈活選擇。根據筆者觀點，從發展角度看，以太網和FDDI將在DCS主干通訊網絡中得到進一步使用：以太網的優勢是廉價、高速，低負荷時具有良好的性能，對中小型DCS來講不失為一個比較理想的選擇；而FDDI作為一種確定性的高速、高容錯性網絡，能夠滿足大型復雜系統自動化控制的苛刻要求。當然，最后需要說明的是，一個成熟的DCS，通訊網絡類型選擇只是決定通訊系統效率的一個重要方面，但不是唯一，還有許多其它關鍵技術可以用來提高整個DCS的通訊效率和通訊實時性，譬如網絡分段技術、信息壓縮技術以及事件報告技術等。
2 DCS通訊網絡介紹
2.1 令牌網
(1) 令牌網通訊特點
令牌網通訊技術的核心是采用受控通訊技術，該技術類似于早期的傳遞輪詢技術，但不由中心集中控制，而是通過采用一個被稱為令牌的特殊格式幀來控制網絡上各個節點的發送權，該令牌按照特定的順序在各個節點之間傳遞[1]。由于每一個節點持有令牌的時間是有限制的，這樣任何一個網上節點等待令牌到來的時間都是可控的，即存在一個最大等待時間，因此任何一個網上節點在特定的時間間隔內都有機會拿到令牌進行數據傳送，這種傳輸特性就是網絡傳輸的確定性。在確定性傳輸網絡中，任何通訊負荷下最大通訊延遲均可控制，通訊等待時間不隨負荷的上升而顯著上升。與此同時，由于采用受控通訊技術，網絡上的任何數據傳輸不會出現沖突情況，從而保證了優質高效的數據傳送，這樣，即使在重負荷下整個網絡的通訊性能也非常好。研究表明，令牌網在90%通訊負荷下仍能夠保證很好的性能[2]。除此之外，令牌網技術下可以設定各種數據幀的優先級，從而可以保證重負荷下關鍵數據的及時傳送。
(2) 令牌總線網
按照網絡拓撲結構劃分，令牌網可以分為令牌環網和令牌總線網兩大類。令牌環技術是最早實現的令牌網技術，整個環路是通過一段點到點的鏈路連接起來的，從而易于令牌傳輸技術的實現。但令牌環的缺點就是所有節點與環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絡要低，另外，環網上節點的接入也相對不便。令牌總線網則綜合了總線網和令牌環網的優點，在物理上是一個總線網，但在邏輯上又是一個令牌網，因而它不僅具有總線網接入方便和可靠性高的優點，而且具有令牌網的傳輸無沖突和有確定性的最大傳輸時延的優點，因此，令牌總線技術得到了越來越廣泛的應用。令牌總線網的最大缺點就是媒體接入層的算法實現相對復雜。
(3) 令牌網優缺點分析
令牌網由于具有傳輸確定性、優先級控制和重載下的高性能等顯著優點而被公認為非常適合于工業控制系統使用的通訊網絡。時至今日，令牌網技術在工業控制領域中仍然得到了最為廣泛的使用。與以太網相比，令牌網技術還有一個顯著優點：在數據傳輸過程中，令牌網技術使用了轉發技術，數據流經過每一個節點后波形都得到了重新整形和放大，從而使得節點之間的傳輸距離大大增加。但由此增加的總傳輸時延非常小，譬如在令牌環網中每個節點只造成一個比特的傳輸時延。
令牌網技術的主要缺點就是整個網絡在任何負荷下都要因為等待令牌而引入附加時延，這種時延在低負荷下就相對明顯。另外，令牌網還有一個顯著缺點就是由于需要支付較高的專利費用而導致與令牌網相關的硬件價格都較高，從而大大限制了其在普通網絡中的應用。
2.2 以太網
(1) 以太網通訊特點
以太網是一種由美國施樂公司、DEC公司和Intel公司聯合開發的局域網，其傳輸媒介非常廣泛，根據情況可以選擇各式銅纜、雙絞線和光纖等。從誕生之日起，以太網技術的發展就十分迅速，網絡傳輸速度從早期10Mbps逐漸發展到目前的1 000Mbps，網絡機理從早期的共享式發展到目前盛行的交換式，網卡工作方式從單工發展到全雙工。
以太網的主要通訊特點是隨機接入、載波偵聽、碰撞檢測和沖突競爭。而目前通用的以太網標準是IEEE802.3，該標準使用了CSMA/CD（帶沖突檢測的載波監聽多點接入）傳輸協議。根據該傳輸協議，任何需要傳輸數據的節點首先要監聽網絡，如果網絡繁忙則堅持監聽網絡，一旦網絡空閑就發送數據，在發送數據過程中繼續監聽，如果檢測到沖突則立即停止發送并發出一個強化沖突的干擾信號，通知所有節點此時網絡已經發生沖突，此時沖突各方主動退避隨機等待一段時間后再重新監聽網絡。
分析發現，以太網沖突主要有兩個來源：① 在某一時刻有可能不止一個節點在監聽網絡，因此一旦網絡空閑就有可能多個節點同時發送數據而造成沖突；② 節點之間由于有距離而存在傳輸延遲，因此當網絡上已有節點在發送數據但是還沒有傳輸到某個需要發送數據的節點時，該節點則將監聽到網絡空閑而發送數據，從而造成沖突。因此，從理論上講，采用標準工業以太網時將不可避免地造成沖突，研究表明，沖突隨著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，標準以太網從純理論角度講有可能出現“孤島”現象，即某些節點在一段時間內可能得不到傳輸數據的機會，其原因是發生沖突后沖突各方需要隨機等待一段時間后再重新偵聽網絡，但此時又可能會繼續導致沖突，從而造成“監聽―發送―沖突一等待一再監聽”的循環狀態，這對于某些重要數據的及時傳送是相當不利的。IEEE802.3規定，對多次發送失敗的數據幀采取放棄傳送處理，同時往上層報告，由上層確定是否重發。
由上述分析發現，以太網具有傳輸不確定性的特點，任何變量都不能完全確保在合適時間內發送成功。除此之外，為了分辨無效幀，以太網規定了64字節的最小數據幀長度，因此當發送的數據很短，譬如只有一個字符時，將造成顯著的帶寬浪費。
(2) 交換式以太網
傳統以太網由于采用總線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的傳輸效率，減少沖突，就需要盡可能地減少總線競爭，交換式以太網就是根據這個思路而開發出來的新一代以太網[2]。交換式以太網通過采用星形布線方式，所有節點都分別連接到一個交換式集線器的端口上，而交換式集線器內置一個復雜的交換陣列，在任何兩個端口之間都可以建立起一個傳輸信道，以標稱傳輸速度傳輸數據。與傳統總線共享式以太網相比，交換式以太網不存在總線競爭而顯著提高了整個系統的傳輸效率。需要注意的是，交換式以太網同樣不能控制最大傳輸時延，因為同一時刻有可能有多個節點需要與同一個節點傳輸數據，但此時只有一個節點才能成功地與目的節點建立起傳輸信道，其余節點只能處于等待狀態。
(3) 以太網優缺點分析
以太網具有安裝方便、價格低廉等顯著優點，在低負荷下由于不必等待令牌的到來而基本上沒有時延，是當今發展最為迅速的局域網技術，市場份額也占絕對的統治地位。以太網的最大缺點就是發送時延的不確定性和重載下的低性能。
(4) 以太網在DCS中的應用
近年來，以太網在DCS主干通訊網絡中的使用呈穩步上升趨勢，其根本原因就是由于其價格非常低廉，在價格走低的同時傳輸速度卻穩步上升。通過采用廣泛使用的標準以太網產品，DCS廠商不僅能夠根據需要方便地升級整個通訊系統性能，而且更為重要的是大大減少廠商的研發投資，降低整個系統成本，提高競爭優勢。所有這些對于資金和技術力量都不太雄厚的廠商來說是非常重要的，尤其是對于中國的各DCS開發廠商。
以太網的致命缺點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的通訊負荷。研究表明，20
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