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　　一、概述
　　
　　為過(guò)程控制系統(tǒng)建立通信網(wǎng)絡(luò)的首要目標(biāo)是，保持在所有條件下系統(tǒng)通信的完整性。在發(fā)電廠中，這類網(wǎng)絡(luò)顯得尤為重要。統(tǒng)治DCS分散控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的保守要求，總是規(guī)定連接控制器和分散處理裝置的通信網(wǎng)絡(luò)必須采用與數(shù)據(jù)處理和管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　DCS通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求可歸納為:
　　
　　●可用性:所有網(wǎng)絡(luò)必須冗余并能無(wú)擾動(dòng)地自動(dòng)切換，不允許單點(diǎn)故障影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。
　　
　　●高速:快速的響應(yīng)，沒(méi)有延遲，等待時(shí)間zui短。
　　
　　●不受限制的訪問(wèn):站點(diǎn)可以在任何時(shí)間接入，不需要通行管理器。
　　
　　●信息通行量大:系統(tǒng)能使網(wǎng)絡(luò)交通zui小化，但在大量數(shù)據(jù)通行的擾動(dòng)條件下能夠充分利用富裕的帶寬。
　　
　　●自診斷;對(duì)所有傳輸均需進(jìn)行信息檢查。
　　
　　●擴(kuò)展能力:在網(wǎng)絡(luò)上增加站點(diǎn)應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)便，即使對(duì)于下一代的型號(hào)也是如此。
　　
　　●能在苛刻的條件下工作:不受因長(zhǎng)距離傳輸引入的電噪聲的干擾。
　　
　　二、常見(jiàn)的DCS通信網(wǎng)絡(luò)
　　
　　1.令牌環(huán)網(wǎng)
　　
　　大部分分散控制系統(tǒng)采用基于不同標(biāo)準(zhǔn)的令牌環(huán)網(wǎng)(TokenRing)來(lái)保證高可靠性以及站點(diǎn)的訪問(wèn)。圖1解釋了令牌環(huán)網(wǎng)的工作原埋。一個(gè)特定站點(diǎn)發(fā)出一個(gè)的"令牌"信息，該令牌在網(wǎng)絡(luò)上按一個(gè)特定的次序循環(huán)，旋轉(zhuǎn)的次序不必一定與站點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)上的物理位置一致。每個(gè)站點(diǎn)持有令牌的時(shí)間是的和受控制的。同樣，也可以一些站點(diǎn)比其它站點(diǎn)更多地得到令牌，但zui重要的是循環(huán)受到控制并且周而復(fù)始。這類系統(tǒng)被稱為"確定性的"。　　當(dāng)令牌在一個(gè)站點(diǎn)停留時(shí)，該站點(diǎn)能夠收發(fā)信息。一些系統(tǒng)中，站點(diǎn)取得令牌時(shí)只是請(qǐng)求信息，這些系統(tǒng)中另一個(gè)被查詢的站點(diǎn)立即響應(yīng)該請(qǐng)求，當(dāng)然這是在分配給持有令牌并發(fā)出請(qǐng)求的站點(diǎn)的時(shí)間段內(nèi)。如果在這一時(shí)間段里該站點(diǎn)未能完成處理，它必須等到下一次循環(huán)才能繼續(xù)。
　　
　　網(wǎng)絡(luò)總是冗余的和同時(shí)工作的，可以是雙絞線對(duì)、同軸電纜或光纜，或其組合。冗余的逆向旋轉(zhuǎn)環(huán)網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)，是能夠在多處中斷的情況下繼續(xù)工作。令牌網(wǎng)也可以是多站點(diǎn)的總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
　　
　　這類系統(tǒng)中的站點(diǎn)報(bào)告有許多不同的方法，包括查詢響應(yīng)、廣播、例外報(bào)告等，都各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。圍繞這個(gè)題目的文獻(xiàn)也非常豐富，闡述也非常透徹，這里無(wú)需詳述。
　　
　　2.以太網(wǎng)
　　
　　某些場(chǎng)合的網(wǎng)絡(luò)是多層的，各有自己的通信標(biāo)準(zhǔn)。zui底層(控制器駐留在此)可以基于上述的一種令牌傳遞模式，是非常可靠和確定的，但通常采用的協(xié)議。較高層有時(shí)也稱作操作層網(wǎng)絡(luò)(即工作站網(wǎng)絡(luò))，可以基于一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)例如以太網(wǎng)，冗余并采用更開(kāi)放的協(xié)議。也可有第三層，這是非冗余的，是專為信息管理系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)的。
　　
　　以太網(wǎng)和其它基于CSMA/CD(載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè))的協(xié)議在這類應(yīng)用中有局限性。這些網(wǎng)絡(luò)很容易被淹沒(méi)，除非采取一定的措施，例如限制站點(diǎn)數(shù)目、將站點(diǎn)隔離成域等等。
　　
　　以太網(wǎng)zui大的優(yōu)點(diǎn)在于這是一個(gè)真正民主的系統(tǒng)!這可以用圖2來(lái)簡(jiǎn)單的解釋。網(wǎng)絡(luò)上的任何站點(diǎn)可以在任何時(shí)間訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)(有時(shí)也被稱作"廣播")，傳送一個(gè)信息或偵聽(tīng)任何傳輸。對(duì)站點(diǎn)沒(méi)有規(guī)定的次序和時(shí)間的限制，也沒(méi)有令牌傳遞系統(tǒng)固有的等待周期。然而，在多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)試圖訪問(wèn)總線(即"沖突")或一個(gè)站點(diǎn)獨(dú)占總線較長(zhǎng)時(shí)間的情況下，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)就可能成為一個(gè)大的缺點(diǎn)。　　當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)偵聽(tīng)到?jīng)_突時(shí)，所有站點(diǎn)停止傳輸，并等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間后重試傳輸。如果下次嘗試仍偵聽(tīng)到?jīng)_突，有關(guān)的站點(diǎn)再次后退，等待更長(zhǎng)的時(shí)間再進(jìn)行重試。站點(diǎn)等待的時(shí)間呈指數(shù)型增加。因此，這種方法也被稱作"指數(shù)型后退"。在活動(dòng)量高的周期中，網(wǎng)絡(luò)使用率急劇增大，就有可能造成系統(tǒng)更新的延遲。早期的以太網(wǎng)就是這種情況，其運(yùn)行速度很低(zui初是3Mbps，然后是lOMbps，現(xiàn)在是1OOMbps)。載波速度的提高大大降低了潛在的滯后。盡管如此，控制系統(tǒng)行業(yè)仍對(duì)以太網(wǎng)作為分散控制系統(tǒng)的主干網(wǎng)心存疑慮。
　　
　　集線器(Hub)的應(yīng)用增強(qiáng)了以太網(wǎng)系統(tǒng)，它能夠隔離站點(diǎn)，排除了菊花鏈連接。圖3是用一個(gè)集線器構(gòu)成的一個(gè)簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)。在這種系統(tǒng)中，一個(gè)壞的站點(diǎn)不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)，可以很容易地將單個(gè)站點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)隔離，但一次仍然只允許一個(gè)會(huì)話(所有站點(diǎn)都聽(tīng)全部的其它站點(diǎn))，沖突仍可能發(fā)生并影響網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。　　以太網(wǎng)尋址簡(jiǎn)便，容易被駐留在以太網(wǎng)上層的高層協(xié)議接受。
　　
　　●MAC地址:
　　
　　每個(gè)以太網(wǎng)卡有一個(gè)*的(MAC)地址，這是用16進(jìn)制表示的48位2進(jìn)制數(shù)，通常分成6段，每個(gè)站點(diǎn)有兩個(gè)相同的網(wǎng)卡作冗余;
　　
　　MAC地址嵌入每條以太網(wǎng)信息中;
　　
　　例子:00-2O-A5-33-5D-17。
　　
　　●IP地址:
　　
　　以太網(wǎng)之上的高層協(xié)議(TCP/IP);
　　
　　嵌入以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù);
　　
　　例子:10.23.55.16;
　　
　　每個(gè)站點(diǎn)賦予一個(gè)不同的IP地址;
　　
　　每個(gè)站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B的IP地址只是網(wǎng)絡(luò)號(hào)不同。例如:#12操作員站在網(wǎng)絡(luò)A的地址為2.99.99.22,#12操作員站在網(wǎng)絡(luò)B的地址為3.99.99.22。
　　
　　以太網(wǎng)是世界上zui廣泛使用的局域網(wǎng)，得到眾多供應(yīng)商的支持，它已經(jīng)成為許多應(yīng)用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件和軟件在基于In的平臺(tái)上運(yùn)行微軟Windows的局域網(wǎng)，顯示出比先前采用昂貴的基于RISC的工作站運(yùn)行UNIX實(shí)現(xiàn)的局域網(wǎng)有更大的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足分散控制系統(tǒng)的需求。
　　
　　3.快速以太網(wǎng)
　　
　　快速以太網(wǎng)基于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)，但速度提高了10倍。它的速率是1OOMbps，并基于熟悉的CSMA/CD標(biāo)準(zhǔn)，可與低速的l0BasedT網(wǎng)絡(luò)并存，網(wǎng)絡(luò)互連不需要協(xié)議轉(zhuǎn)換，使用相同的媒介(同軸電纜，銅纜或光纜)。
　　
　　盡管有了較高的速率和隨之而來(lái)的帶寬，令牌傳遞模式固有的缺點(diǎn)仍然沒(méi)有消除，例如
　　
　　FDDI/CDDI。在更多站點(diǎn)加入后，F(xiàn)DDI系統(tǒng)的性能不會(huì)降低，在90%帶寬被使用的情況下仍能維持工作。但網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)快速以太網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，必須保證有足夠的額外能力來(lái)應(yīng)付將來(lái)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和擾動(dòng)的工況，這能夠迅速將網(wǎng)絡(luò)推到其zui大能力。因此，快速以太網(wǎng)的帶寬利用通常不能超過(guò)正常工況的30-40%。
　　
　　4.交換式快速以太網(wǎng)
　　
　　用智能交換機(jī)進(jìn)一步增強(qiáng)以太網(wǎng)，從而提供了比FDDI等令牌傳遞系統(tǒng)更佳的性能，保證所有站點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的多道同時(shí)的訪問(wèn)。這種變化被稱為交換式快速以太網(wǎng)(SwitchedFastEthernet)。
　　
　　交換機(jī)(Switch)是如何工作的呢?
　　
　　●查看MAC目的地址;
　　
　　●存儲(chǔ)并以"網(wǎng)速"轉(zhuǎn)發(fā)信息到合適的瑞口；
　　
　　●在工作過(guò)程中收聽(tīng)并學(xué)習(xí)整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)；
　　
　　●交換機(jī)并不理解其傳輸?shù)男畔?，只要能確定信息中的目的地址就足夠了;
　　
　　●交換機(jī)是一種低成本的裝置，只有FDDI節(jié)點(diǎn)設(shè)備一半的價(jià)格。
　　
　　網(wǎng)絡(luò)各處使用的智能交換機(jī)構(gòu)成了交換式快速以太網(wǎng)的主干。zui簡(jiǎn)單的是一個(gè)星型結(jié)構(gòu)，但多數(shù)是在幾處布置多個(gè)冗余的交換機(jī)對(duì)。每個(gè)站點(diǎn)直接連接到一臺(tái)交換機(jī)。各站點(diǎn)不像多站點(diǎn)系統(tǒng)那樣共享一條總線，一臺(tái)交換機(jī)可以直接連接多達(dá)十個(gè)不同的站點(diǎn)。主干網(wǎng)將大范圍內(nèi)的交換機(jī)連接到一起，其媒介可以是雙絞線對(duì)、同軸電纜或光纜，并總是冗余的。圖4是這種智能交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其支持多道同時(shí)通信的簡(jiǎn)單例子。　　交換式快速以太網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下:
　　
　　●提供雙向同時(shí)通信，因而帶寬加倍可達(dá)200MBPS，通行量有效翻倍。
　　
　　●交換機(jī)支持多道同時(shí)通信，從而兩對(duì)以上的站點(diǎn)可以同時(shí)相互尋址。這個(gè)性能是由交換機(jī)的總線仲裁模式保證的，而總線仲裁又是由每一時(shí)刻的活動(dòng)決定的。交換機(jī)保證了站點(diǎn)之間兩個(gè)方向上同時(shí)的交通。
　　
　　●由于沒(méi)有沖突，沖突偵聽(tīng)就沒(méi)有必要了。交通是停止的。交換機(jī)會(huì)阻止獨(dú)占一個(gè)節(jié)點(diǎn)的站。交換機(jī)產(chǎn)生了通過(guò)節(jié)點(diǎn)的傳輸率的"網(wǎng)速"。
　　
　　●可以將l0Mbps鏈接到100Mbps網(wǎng)絡(luò)。
　　
　　●增加了網(wǎng)絡(luò)的物理規(guī)模。
　　
　　●允許任何時(shí)刻的訪問(wèn)。交換式快速以太網(wǎng)是一個(gè)民主系統(tǒng)，沒(méi)有一個(gè)決定何時(shí)可以訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的固定模式。因此，交換式快速以太網(wǎng)沒(méi)有FDDI那種明顯的等待周期。測(cè)試證明，端口能夠保證1OOMBPS的數(shù)據(jù)通行量。
　　
　　●容錯(cuò)性。交換式快速以太網(wǎng)和FDDI都是冗余系統(tǒng)，都能在瞬間切換到后備系統(tǒng)。然而，交換式快速以太網(wǎng)能夠交錯(cuò)連接站點(diǎn)提供不同的通信路徑，F(xiàn)DDI則做不到這一點(diǎn)。
　　
　　●交換機(jī)具有診斷功能，可以檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中故障或中斷的部分。
　　
　　三、交換式快速以太網(wǎng)在DCS中的應(yīng)用
　　
　　美卓自動(dòng)化公司提供的maxDNA分散控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng)采用交換式快速以太網(wǎng)。電廠中各種功能的子系統(tǒng)均可以通過(guò)主干網(wǎng)maxNET連接。1OOMbps主干網(wǎng)是全雙工的，所有站點(diǎn)(maxSTATION工作站及DPU)通過(guò)各自冗余的全雙工5類UTPRJ45電纜直接連接到安裝在I/0柜中的冗余的以太網(wǎng)交換機(jī)，而不與其它的DPU共享這一鏈接。交換機(jī)之間則采用冗余的光纜連接。圖5是maxDNA的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所有接口、連接、交換機(jī)都是冗余的，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，圖上未表示其連接的細(xì)節(jié)。　　每個(gè)maxSTATION工作站有兩個(gè)以太網(wǎng)卡，一個(gè)用于A網(wǎng)絡(luò)，另一個(gè)用于B網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)網(wǎng)卡有一個(gè)*的媒介訪問(wèn)控制(MAC)地址，該MAC地址嵌入每一個(gè)以太網(wǎng)信息。高層協(xié)議(TCP/IP)在以太網(wǎng)的頂層?；ヂ?lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)嵌入一個(gè)以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)部分，每個(gè)站有一個(gè)不同的IP地址，由交換機(jī)。在這種結(jié)構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)的物理規(guī)模(即站點(diǎn)數(shù))可以不受限制地?cái)U(kuò)大。
　　
　　為了傳送數(shù)據(jù)，交換機(jī)檢查MAC目的地址，在適當(dāng)?shù)亩丝诖鎯?chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)信息到正確的站點(diǎn)。這是一種自學(xué)習(xí)(聽(tīng)與學(xué))的裝置，也是一種即插即用設(shè)備。交換機(jī)并不理解傳送的信息，而只需要從信息中決定目的地址。
　　
　　由于交換機(jī)知道網(wǎng)絡(luò)的分布，它僅向正確的端口轉(zhuǎn)發(fā)信息，因此通過(guò)交換機(jī)便可進(jìn)行多路同時(shí)會(huì)話。任何一對(duì)站點(diǎn)可以對(duì)話而不會(huì)被其它站點(diǎn)聽(tīng)到，也不會(huì)因?qū)υ挾纬蓪?duì)其它站點(diǎn)的干擾。
　　
　　maxNET采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件(交換機(jī))和軟件(TCP/IP)。工作站基于英特爾硬件并運(yùn)行WindowsXP，DPU亦基于英特爾硬件。這意味著，用戶可以在網(wǎng)絡(luò)及工作站設(shè)備和軟件主要供應(yīng)商的產(chǎn)品升級(jí)后獲得增強(qiáng)系統(tǒng)性能的好處。
　　
　　交換式快速以太網(wǎng)系統(tǒng)的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，每次傳輸都有一條備用的通路。圖6解釋了備用通路的概念。需要時(shí)，工作站自動(dòng)選擇備用通路。實(shí)際上，每次新的傳輸都會(huì)改變通路，這使系統(tǒng)得以在多處故障的關(guān)頭存活。　　四、總結(jié)
　　
　　交換式快速以太網(wǎng)為令牌傳遞系統(tǒng)如FDDI/CDDI提供了經(jīng)濟(jì)有效的替代方案。它對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)沒(méi)有令牌傳遞系統(tǒng)固有的等待周期，具有比其它任何網(wǎng)絡(luò)都高的帶寬——200Mbps，能夠全雙工工作。采用智能交換機(jī)使網(wǎng)絡(luò)更靈活，并允許多個(gè)通信路徑，以及多個(gè)站點(diǎn)的同時(shí)通信。
　　
　　交換式快速以太網(wǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)的硬件和軟件，因而容易與其它系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接口。同時(shí)，它能夠充分利用設(shè)備供應(yīng)商將來(lái)的增強(qiáng)和改進(jìn)，從而保證平穩(wěn)升級(jí)的途徑。