摘要：本文主要針對在DCS通訊網絡中常見的令牌網、以太網和FDDI從理論上進行了一些討論，并結合工業控制的要求分析了各自優缺點，zui后針對通訊網絡的發展發表了作者個人的看法。
　　
　　1DCS通訊網絡概述
　　
　　DCS為英文Distributed ControlSystem的縮寫，中文譯為分散控制系統。*，DCS是現代機組啟停和運行的中樞系統，而其區別于傳統控制系統的關鍵就在于具有+個完善的通訊系統，以及時、準確地在DCS各相關子系統中傳遞大量數據，從而使各個子系統能夠有機結合，共同完成復雜系統的自動化控制，zui終使整個DCS成為一個有機整體。
　　
　　DCS通訊系統的重要性導致世界上各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，——個完善的通訊系統應該滿足以下兩方面要求：A．通訊等待時間不因通訊負荷上升而顯著增加；B．zui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。本文后面將針對這幾種流行的網絡結構結合工業控制的特點從理論上分析各自優缺點，希望對廣大過程控制技術人員有所幫助。
　　
　　2令牌網
　　
　　2．1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[l]。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zui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zui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。
　　
　　2．2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zui早實現的令牌網技術，整個環路是通過一段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，其可靠性比一般比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zui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zui大缺點就是媒體接人層的算法實現相對復雜。
　　
　　2．3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*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。
　　
　　3以太網
　　
　　3．1以太網通訊特點
　　
　　以太網是一種由美國施樂公司、DEC公司和In公司聯合開發的局域網，其傳輸媒體非常廣泛，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1000Mbps，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人、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CSMMCD（帶沖突檢測的載波監聽多點接人）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：其一是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；其二是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。IEEES02．3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*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zui小數據幀長度，因此當發送的數據很短時；譬如只有一個字符，將造成顯著的帶寬浪費。
　　
　　3．2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zui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。
　　
　　3．3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zui為迅速的局域網技術，*也占的統治地位。以太網的zui大缺點就是發送時延的不確定性和重載下的低性能。
　　
　　4FDDI網
　　
　　4．1FDDI網通訊特點
　　
　　FDDI是英文Fiber Distributed DataInterface的縮寫，中文名為光纖分布式數據接
　　
　　口[2），它采用單模光纖或者多模光纖作為傳輸媒體，傳輸速率固定為100Mbps，通訊方式同樣采用了成熟的令牌傳輸技術，因而該網絡是*確定性的，在不發生數據丟失或者精度降低的情況下可以保證重要數據的及時傳遞，因此FDDI是一種可用于傳遞過程控制信息的高速高帶寬網絡。在設計上FDDI不僅采用了全冗余及容錯技術，而且充分考慮了與各種LAN和WAN的互連，因此具有成熟的標準硬件和軟件用于同常規LAN的連接，從而取消了常見DCS使用的復雜冗余機制和特殊網關的要求，提高了系統可靠性[2]。
　　
　　4．2FDDI網的高容錯性特點
　　
　　與普通令牌網相比，FDDI的突出優點就是其與生俱來的全冗余性和高容錯性。根據IS09314．2規定，標準FDDI網絡由兩個數據傳輸方向相反的光纖環組成，在正常情況下，只有一個環路在工作，另一個環路處于備用。當運行環路出現故障時，不管是鏈路故障還是站點故障，FDDI可自動重新配置，同時啟動備用環路工作，使整個網絡得以繼續工作，參見圖1。

　　
　　由此可見，與常規DCS中采用的其它冗余通訊網絡相比，FDDI不僅允許一個環路出現故障，而且允許兩個環路都出現故障時仍然能夠保證整個通訊系統的正常通訊，甚至在環路出現多處故障的情況下，整個網絡仍然可以自動配置成多個分離的小環網繼續工作。
　　
　　4．3FDDI網的優缺點分析
　　
　　確定性、高速、冗余以及高容錯性等顯著優點使得FDDI網絡非常適合于要求嚴格的工業過程領域，可以滿足大型復雜系統自動化控制通訊實時性的要求，因此，在近年來，幾種典型DCS在其版本都相繼引入了FDDI作為其主干控制網絡，如ABB的PROCONTROLP、日立公司的HIACS5000+和西屋公司的Ovation。FDDI網絡的zui大缺點就是其價格高昂，從而極大地限制了其使用范圍，時至今日，它仍主要用于骨干網絡，而在局域網中則使用很少。
　　
　　5關于以太網在DCS中的使用
　　
　　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％通訊負荷是以太網用于工業控制系統中的—個比較合適的上限，此時整個系統的平均等待時間比較令人滿意。通過合理優化整個DCS的數據傳輸體系，盡可能減少各節點之間的數據傳輸，同時通過采用各種有效傳輸措施，如信息壓縮技術和事件報告技術等，整個網絡的數據流量也可以進一步減少，從而可以保證整個網絡處于較低的通訊負荷，提高整個系統的實時性。需要說明的是，以太網設計選型時必須考慮事故工況下通訊負荷顯著增加的情況，通訊系統必須具備足夠的裕量，必要時可以采用各種高速以太網。
　　

　　分析各主要DCS發現，由于DCS不同通訊層次對實時性的不同要求，許多大型DCS，都將主干通訊網絡劃分為操作員網絡和控制網絡兩個層次，如圖2所示。這樣，可以根據需要選用不同的網絡類型和通訊協議，以降低整體成本。分析發現，采用這種分層結構的DCS，一般都在操作員網絡使用工業標準以太網和TCP／IP協議，而在控制網絡中則有所不同。有些廠商比較謹慎，仍然堅持采用確定性網絡，如ABB的PROCONTROLP、日立公司的HIACS5000+和西屋公司的Ovation均采用了FDDI作為其控制網絡，而另外一些則步子稍大，在其DCS控制網絡同樣采用了標準以太網，但是針對工業控制的特殊要求開發了通訊協議，以zui大限度地快速傳遞重要信息，其典型代表是西門子公司的TEI．EPERMXP和ABB公司的Advant。
　　
　　相對而言，在引入以太網技術方面，美國MCS公司的步子zui大，在其的MAXl000+系統中，主干通訊網絡沒有劃分為操作員網絡和控制網絡兩個層次，全部采用工業標準以太網和TCP／IP協議。為了有效降低系統通訊負荷，減少傳輸延遲，特地采用了10Mbps/100Mbp交換式以太網，其中100Mbps端口用于各交換器之間的級連，而10Mbps端口則用于連接各個控制機柜和操作員臺。
　　
　　6結論
　　
　　通過本文分析可以發現，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。根據本人觀點，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：以太網的優勢是其廉價、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，zui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*方面，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，作者以后將就這些問題展開進一步討論。
　　
　　參考文獻
　　
　　1謝希仁，陳鳴，張興元，計算機網絡，電子工業出版社，1994
　　
　　2UylessBlack，EmergingCommunicationTechnologies（2ndEdition），PrenticeHall，1997