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　　一、概述
　　
　　為過程控制系統(tǒng)建立通信網(wǎng)絡的首要目標是，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)絡顯得尤為重要。統(tǒng)治DCS分散控制系統(tǒng)應用設計的保守要求，總是規(guī)定連接控制器和分散處理裝置的通信網(wǎng)絡必須采用與數(shù)據(jù)處理和管理系統(tǒng)網(wǎng)絡不同的標準。
　　
　　DCS通信網(wǎng)絡的設計要求可歸納為:
　　
　　●可用性:所有網(wǎng)絡必須冗余并能無擾動地自動切換，不允許單點故障影響整個系統(tǒng)的正常工作。
　　
　　●高速:快速的響應，沒有延遲，等待時間zui短。
　　
　　●不受限制的訪問:站點可以在任何時間接入，不需要通行管理器。
　　
　　●信息通行量大:系統(tǒng)能使網(wǎng)絡交通zui小化，但在大量數(shù)據(jù)通行的擾動條件下能夠充分利用富裕的帶寬。
　　
　　●自診斷;對所有傳輸均需進行信息檢查。
　　
　　●擴展能力:在網(wǎng)絡上增加站點應當簡便，即使對于下一代的型號也是如此。
　　
　　●能在苛刻的條件下工作:不受因長距離傳輸引入的電噪聲的干擾。
　　
　　二、常見的DCS通信網(wǎng)絡
　　
　　1.令牌環(huán)網(wǎng)
　　
　　大部分分散控制系統(tǒng)采用基于不同標準的令牌環(huán)網(wǎng)(TokenRing)來保證高可靠性以及站點的訪問。圖1解釋了令牌環(huán)網(wǎng)的工作原埋。一個特定站點發(fā)出一個的"令牌"信息，該令牌在網(wǎng)絡上按一個特定的次序循環(huán)，旋轉(zhuǎn)的次序不必一定與站點在網(wǎng)絡上的物理位置一致。每個站點持有令牌的時間是的和受控制的。同樣，也可以一些站點比其它站點更多地得到令牌，但zui重要的是循環(huán)受到控制并且周而復始。這類系統(tǒng)被稱為"確定性的"。　　當令牌在一個站點停留時，該站點能夠收發(fā)信息。一些系統(tǒng)中，站點取得令牌時只是請求信息，這些系統(tǒng)中另一個被查詢的站點立即響應該請求，當然這是在分配給持有令牌并發(fā)出請求的站點的時間段內(nèi)。如果在這一時間段里該站點未能完成處理，它必須等到下一次循環(huán)才能繼續(xù)。
　　
　　網(wǎng)絡總是冗余的和同時工作的，可以是雙絞線對、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，是能夠在多處中斷的情況下繼續(xù)工作。令牌網(wǎng)也可以是多站點的總線型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
　　
　　這類系統(tǒng)中的站點報告有許多不同的方法，包括查詢響應、廣播、例外報告等，都各有優(yōu)點和缺點。圍繞這個題目的文獻也非常豐富，闡述也非常透徹，這里無需詳述。
　　
　　2.以太網(wǎng)
　　
　　某些場合的網(wǎng)絡是多層的，各有自己的通信標準。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?？煽亢痛_定的，但通常采用的協(xié)議。較高層有時也稱作操作層網(wǎng)絡(即工作站網(wǎng)絡)，可以基于一種工業(yè)標準例如以太網(wǎng)，冗余并采用更開放的協(xié)議。也可有第三層，這是非冗余的，是專為信息管理系統(tǒng)的應用設計的。
　　
　　以太網(wǎng)和其它基于CSMA/CD(載波偵聽多路訪問/沖突檢測)的協(xié)議在這類應用中有局限性。這些網(wǎng)絡很容易被淹沒，除非采取一定的措施，例如限制站點數(shù)目、將站點隔離成域等等。
　　
　　以太網(wǎng)zui大的優(yōu)點在于這是一個真正民主的系統(tǒng)!這可以用圖2來簡單的解釋。網(wǎng)絡上的任何站點可以在任何時間訪問網(wǎng)絡(有時也被稱作"廣播")，傳送一個信息或偵聽任何傳輸。對站點沒有規(guī)定的次序和時間的限制，也沒有令牌傳遞系統(tǒng)固有的等待周期。然而，在多個站點同時試圖訪問總線(即"沖突")或一個站點獨占總線較長時間的情況下，這個優(yōu)點就可能成為一個大的缺點。　　當一個站點偵聽到?jīng)_突時，所有站點停止傳輸，并等待一個隨機的時間后重試傳輸。如果下次嘗試仍偵聽到?jīng)_突，有關(guān)的站點再次后退，等待更長的時間再進行重試。站點等待的時間呈指數(shù)型增加。因此，這種方法也被稱作"指數(shù)型后退"。在活動量高的周期中，網(wǎng)絡使用率急劇增大，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)的應用增強了以太網(wǎng)系統(tǒng)，它能夠隔離站點，排除了菊花鏈連接。圖3是用一個集線器構(gòu)成的一個簡單的星型網(wǎng)絡。在這種系統(tǒng)中，一個壞的站點不會影響網(wǎng)絡，可以很容易地將單個站點與網(wǎng)絡隔離，但一次仍然只允許一個會話(所有站點都聽全部的其它站點)，沖突仍可能發(fā)生并影響網(wǎng)絡的負荷。　　以太網(wǎng)尋址簡便，容易被駐留在以太網(wǎng)上層的高層協(xié)議接受。
　　
　　●MAC地址:
　　
　　每個以太網(wǎng)卡有一個*的(MAC)地址，這是用16進制表示的48位2進制數(shù)，通常分成6段，每個站點有兩個相同的網(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;
　　
　　每個站點賦予一個不同的IP地址;
　　
　　每個站點網(wǎng)絡A和網(wǎng)絡B的IP地址只是網(wǎng)絡號不同。例如:#12操作員站在網(wǎng)絡A的地址為2.99.99.22,#12操作員站在網(wǎng)絡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)，得到眾多供應商的支持，它已經(jīng)成為許多應用的工業(yè)標準?，F(xiàn)在，采用工業(yè)標準硬件和軟件在基于In的平臺上運行微軟Windows的局域網(wǎng)，顯示出比先前采用昂貴的基于RISC的工作站運行UNIX實現(xiàn)的局域網(wǎng)有更大的優(yōu)勢，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標準，可與低速的l0BasedT網(wǎng)絡并存，網(wǎng)絡互連不需要協(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的帶寬，令牌傳遞模式固有的缺點仍然沒有消除，例如
　　
　　FDDI/CDDI。在更多站點加入后，F(xiàn)DDI系統(tǒng)的性能不會降低，在90%帶寬被使用的情況下仍能維持工作。但網(wǎng)絡設計者在設計快速以太網(wǎng)系統(tǒng)時，必須保證有足夠的額外能力來應付將來網(wǎng)絡的擴展和擾動的工況，這能夠迅速將網(wǎng)絡推到其zui大能力。因此，快速以太網(wǎng)的帶寬利用通常不能超過正常工況的30-40%。
　　
　　4.交換式快速以太網(wǎng)
　　
　　用智能交換機進一步增強以太網(wǎng)，從而提供了比FDDI等令牌傳遞系統(tǒng)更佳的性能，保證所有站點對網(wǎng)絡的多道同時的訪問。這種變化被稱為交換式快速以太網(wǎng)(SwitchedFastEthernet)。
　　
　　交換機(Switch)是如何工作的呢?
　　
　　●查看MAC目的地址;
　　
　　●存儲并以"網(wǎng)速"轉(zhuǎn)發(fā)信息到合適的瑞口；
　　
　　●在工作過程中收聽并學習整個數(shù)據(jù)庫；
　　
　　●交換機并不理解其傳輸?shù)男畔?，只要能確定信息中的目的地址就足夠了;
　　
　　●交換機是一種低成本的裝置，只有FDDI節(jié)點設備一半的價格。
　　
　　網(wǎng)絡各處使用的智能交換機構(gòu)成了交換式快速以太網(wǎng)的主干。zui簡單的是一個星型結(jié)構(gòu)，但多數(shù)是在幾處布置多個冗余的交換機對。每個站點直接連接到一臺交換機。各站點不像多站點系統(tǒng)那樣共享一條總線，一臺交換機可以直接連接多達十個不同的站點。主干網(wǎng)將大范圍內(nèi)的交換機連接到一起，其媒介可以是雙絞線對、同軸電纜或光纜，并總是冗余的。圖4是這種智能交換機網(wǎng)絡及其支持多道同時通信的簡單例子。　　交換式快速以太網(wǎng)的主要優(yōu)點如下:
　　
　　●提供雙向同時通信，因而帶寬加倍可達200MBPS，通行量有效翻倍。
　　
　　●交換機支持多道同時通信，從而兩對以上的站點可以同時相互尋址。這個性能是由交換機的總線仲裁模式保證的，而總線仲裁又是由每一時刻的活動決定的。交換機保證了站點之間兩個方向上同時的交通。
　　
　　●由于沒有沖突，沖突偵聽就沒有必要了。交通是停止的。交換機會阻止獨占一個節(jié)點的站。交換機產(chǎn)生了通過節(jié)點的傳輸率的"網(wǎng)速"。
　　
　　●可以將l0Mbps鏈接到100Mbps網(wǎng)絡。
　　
　　●增加了網(wǎng)絡的物理規(guī)模。
　　
　　●允許任何時刻的訪問。交換式快速以太網(wǎng)是一個民主系統(tǒng)，沒有一個決定何時可以訪問網(wǎng)絡的固定模式。因此，交換式快速以太網(wǎng)沒有FDDI那種明顯的等待周期。測試證明，端口能夠保證1OOMBPS的數(shù)據(jù)通行量。
　　
　　●容錯性。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)能夠交錯連接站點提供不同的通信路徑，F(xiàn)DDI則做不到這一點。
　　
　　●交換機具有診斷功能，可以檢測網(wǎng)絡中故障或中斷的部分。
　　
　　三、交換式快速以太網(wǎng)在DCS中的應用
　　
　　美卓自動化公司提供的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)均可以通過主干網(wǎng)maxNET連接。1OOMbps主干網(wǎng)是全雙工的，所有站點(maxSTATION工作站及DPU)通過各自冗余的全雙工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，而不與其它的DPU共享這一鏈接。交換機之間則采用冗余的光纜連接。圖5是maxDNA的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。所有接口、連接、交換機都是冗余的，為了簡化起見，圖上未表示其連接的細節(jié)。　　每個maxSTATION工作站有兩個以太網(wǎng)卡，一個用于A網(wǎng)絡，另一個用于B網(wǎng)絡。每個網(wǎng)卡有一個*的媒介訪問控制(MAC)地址，該MAC地址嵌入每一個以太網(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)嵌入一個以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)部分，每個站有一個不同的IP地址，由交換機。在這種結(jié)構(gòu)下，網(wǎng)絡的物理規(guī)模(即站點數(shù))可以不受限制地擴大。
　　
　　為了傳送數(shù)據(jù)，交換機檢查MAC目的地址，在適當?shù)亩丝诖鎯Σ⑥D(zhuǎn)發(fā)信息到正確的站點。這是一種自學習(聽與學)的裝置，也是一種即插即用設備。交換機并不理解傳送的信息，而只需要從信息中決定目的地址。
　　
　　由于交換機知道網(wǎng)絡的分布，它僅向正確的端口轉(zhuǎn)發(fā)信息，因此通過交換機便可進行多路同時會話。任何一對站點可以對話而不會被其它站點聽到，也不會因?qū)υ挾纬蓪ζ渌军c的干擾。
　　
　　maxNET采用工業(yè)標準的硬件(交換機)和軟件(TCP/IP)。工作站基于英特爾硬件并運行WindowsXP，DPU亦基于英特爾硬件。這意味著，用戶可以在網(wǎng)絡及工作站設備和軟件主要供應商的產(chǎn)品升級后獲得增強系統(tǒng)性能的好處。
　　
　　交換式快速以太網(wǎng)系統(tǒng)的另一個主要優(yōu)點是，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，工作站自動選擇備用通路。實際上，每次新的傳輸都會改變通路，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)濟有效的替代方案。它對網(wǎng)絡的訪問沒有令牌傳遞系統(tǒng)固有的等待周期，具有比其它任何網(wǎng)絡都高的帶寬——200Mbps，能夠全雙工工作。采用智能交換機使網(wǎng)絡更靈活，并允許多個通信路徑，以及多個站點的同時通信。
　　
　　交換式快速以太網(wǎng)采用標準的硬件和軟件，因而容易與其它系統(tǒng)和網(wǎng)絡接口。同時，它能夠充分利用設備供應商將來的增強和改進，從而保證平穩(wěn)升級的途徑。