浅析DCS通讯网络的现状和发展
摘要：本文主要针对在DCS通讯网络中常见的令牌网、以太网和FDDI从理论上进行了一些讨论，并结合工业控制的要求分析了各自优缺点，zui后针对通讯网络的发展发表了作者个人的看法。
1DCS通讯网络概述
DCS为英文Distributed ControlSystem的缩写，中文译为分散控制系统。众所周知，DCS是现代机组启停和运行的中枢系统，而其区别于传统控制系统的关键就在于具有+个完善的通讯系统，以及时、准确地在DCS各相关子系统中传递大量数据，从而使各个子系统能够有机结合，共同完成复杂系统的自动化控制，zui终使整个DCS成为一个有机整体。
DCS通讯系统的重要性导致世界上各DCS厂商长期以来一直致力于DCS通讯网
络的完善和发展。尽管各厂商由于发展观点不同而导致各自DCS的通讯体系和网络类型有所差别，但是发展方向却是一致的，即提高通讯实时性、增加有效传输带宽和加强系统可靠性。比较各主要DCS发现，基于整个系统的开放性、易用性和可靠性考虑，同时考虑到不同层次对通讯的不同要求，各DCS一般都采用分层体系，将整个通讯系统合理划分为多个层次，每一层的通讯速度和网络类型都有所不同。但是，从工业控制的角度出发，——个完善的通讯系统应该满足以下两方面要求：A．通讯等待时间不因通讯负荷上升而显著增加；B．zui大通讯延时应可控制。
一般说来，DCS通讯系统各个层次的网络都是在一个相对小的范围内使用，均属于局域网范围，因此局域网的各种类型对DCS来讲都是可用的，典型的如令牌网和以太网两大类。近年随着各种高速局域网技术的出现，FDDI网和交换式以太网也相继引入DCS。本文后面将针对这几种流行的网络结构结合工业控制的特点从理论上分析各自优缺点，希望对广大过程控制技术人员有所帮助。
2令牌网
2．1令牌网通讯特点
令牌网通讯技术的核心是采用受控通讯技术，该技术类似于早期的传递轮询技术，但不由中心集中控制，而是通过采用一个被称为令牌的特殊格式帧来控制网络上各个节点的发送权，该令牌按照特定的顺序在各个节点之间传递[l]。由于每一个节点持有令牌的时间是有限制的，这样任何一个网上节点等待令牌到来的时间都是可控的，即存在一个zui大等待时间，因此任何一个网上节点在特定的时间间隔内都有机会拿到令牌进行数据传送，这种传输特性就是网络传输的确定性。在确定性传输网络中，任何通讯负荷下zui大通讯延迟均可控制，通讯等待时间不随负荷的上升而显著上升。与此同时，由于采用受控通讯技术，网络上的任何数据传输不会出现冲突情况，从而保证了的数据传送，这样，即使在重负荷下整个网络的通讯性能也非常好。研究表明，令牌网在90％通讯负荷下仍能够保证很好的性能[2]。除此之外，令牌网技术下可以设定各种数据帧的优先级，从而可以保证重负荷下关键数据的及时传送。
2．2令牌总线网
按照网络拓扑结构划分，令牌网可以分为令牌环网和令牌总线网两大类。令牌环技术是zui早实现的令牌网技术，整个环路是通过一段段点到点的链路连接起来的，从而易于令牌传输技术的实现。但令牌环的缺点就是所有节点与环路之间的干线耦合器为有源器件，其可靠性比一般比无源的总线型网络要低，另外，环网上节点的接入也相对不便。令牌总线网则综合了总线网和令牌环网的优点，在物理上是一个总线网，但在逻辑上又是一个令牌网，因而它不仅具有总线网接入方便和可靠性高的优点，而且具有令牌网的传输无冲突和有确定性的zui大传输时延的优点，因此，令牌总线技术得到了越来越广泛的应用。令牌总线网的zui大缺点就是媒体接人层的算法实现相对复杂。
2．3令牌网优缺点分析
令牌网由于具有传输确定性、优先级控制和重载下的高性能等显著优点而被公认为非常适合于工业控制系统使用的通讯网络。时至今日，令牌网技术在工业控制领域中仍然得到了zui为广泛的使用。与以太网相比，令牌网技术还有一个显著优点：在数据传输过程中，令牌网技术使用了转发技术，数据流经过每一个节点后波形都得到了重新整形和放大，从而使得节点之间的传输距离大大增加。但由此增加的总传输时延非常小，譬如在令牌环网中每个节点只造成一个比特的传输时延。
令牌网技术的主要缺点就是整个网络在任何负荷下都要因为等待令牌而引入附加时延，这种时延在低负荷下就相对明显。另外，令牌网还有一个显著缺点就是由于需要支付较高的费用而导致与令牌网相关的硬件价格都较高，从而大大限制了其在普通网络中的应用。
3以太网
3．1以太网通讯特点
以太网是一种由美国施乐公司、DEC公司和In公司联合开发的局域网，其传输媒体非常广泛，根据情况可以选择各式铜缆、双绞线和光纤等。从诞生之日起，以太网技术的发展就十分迅速，网络传输速度从早期10Mbps逐渐发展到目前的1000Mbps，网络机理从早期的共享式发展到目前盛行的交换式，网卡工作方式从单工发展到全双工。
以太网的主要通讯特点是随机接人、载波侦听、碰撞检测和冲突竞争。而目前通用的以太网标准是IEEE802．3，该标准使用了CSMMCD（带冲突检测的载波监听多点接人）传输协议。根据该传输协议，任何需要传输数据的节点首先要监听网络，如果网络繁忙则坚持监听网络，一旦网络空闲就发送数据，在发送数据过程中继续监听，如果检测到冲突则立即停止发送并发出一个强化冲突的干扰信号，通知所有节点此时网络已经发生冲突，此时冲突各方主动退避随机等待一段时间后再重新监听网络。
分析发现，以太网冲突主要有两个来源：其一是在某一时刻有可能不止一个节点在监听网络，因此一旦网络空闲就有可能多个节点同时发送数据而造成冲突；其二是节点之间由于有距离而存在传输延迟，因此当网络上已有节点在发送数据但是还没有传输到某个需要发送数据的节点时，该节点则将监听到网络空闲而发送数据，从而造成冲突。因此，从理论上讲，采用标准工业以太网时将不可避免地造成冲突，研究表明，冲突随着通讯负荷的上升而急剧增加，而在低负荷下则很少。更为严重的是，标准以太网从纯理论角度讲有可能出现“孤岛”现象，即某些节点在一段时间内可能得不到传输数据的机会，其原因是发生冲突后冲突各方需要随机等待一段时间后再重新侦听网络，但此时又可能会继续导致冲突，从而造成“监听—发送—冲突一等待一再监听”的循环状态，这对于某些重要数据的及时传送是相当不利的。IEEES02．3规定，对多次发送失败的数据帧采取放弃传送处理，同时往上层报告，由上层确定是否重发。
由上述分析发现，以太网具有传输不确定性的特点，任何变量都不能完全确保在合适时间内发送成功。除此之外，为了分辨无效帧，以太网规定了64字节的zui小数据帧长度，因此当发送的数据很短时；譬如只有一个字符，将造成显著的带宽浪费。
3．2交换式以太网
传统以太网由于采用总线竞争的方式因而不可避免地存在冲突，为了有效提高以太网的传输效率，减少冲突，就需要尽可能地减少总线竞争，交换式以太网就是根据这个思路而开发出来的新一代以太网[2]。交换式以太网通过采用星形布线方式，所有节点都分别连接到一个交换式集线器的端口上，而交换式集线器内置一个复杂的交换阵列，在任何两个端口之间都可以建立起一个传输信道，以标称传输速度传输数据。与传统总线共享式以太网相比，交换式以太网不存在总线竞争而显著提高了整个系统的传输效率。需要注意的是，交换式以太网同样不能控制zui大传输时延，因为同一时刻有可能有多个节点需要与同一个节点传输数据，但此时只有一个节点才能成功地与目的节点建立起传输信道，其余节点只能处于等待状态。
3．3以太网优缺点分析
以太网具有安装方便、价格低廉等显著优点，在低负荷下由于不必等待令牌的到来而基本上没有时延，是当今发展zui为迅速的局域网技术，市场份额也占的统治地位。以太网的zui大缺点就是发送时延的不确定性和重载下的低性能。
4FDDI网
4．1FDDI网通讯特点
FDDI是英文Fiber Distributed DataInterface的缩写，中文名为光纤分布式数据接
口[2），它采用单模光纤或者多模光纤作为传输媒体，传输速率固定为100Mbps，通讯方式同样采用了成熟的令牌传输技术，因而该网络是完全确定性的，在不发生数据丢失或者精度降低的情况下可以保证重要数据的及时传递，因此FDDI是一种可用于传递过程控制信息的高速高带宽网络。在设计上FDDI不仅采用了全冗余及容错技术，而且充分考虑了与各种LAN和WAN的互连，因此具有成熟的标准硬件和软件用于同常规LAN的连接，从而取消了常见DCS使用的复杂冗余机制和特殊网关的要求，提高了系统可靠性[2]。
4．2FDDI网的高容错性特点
与普通令牌网相比，FDDI的突出优点就是其与生俱来的全冗余性和高容错性。根据IS09314．2规定，标准FDDI网络由两个数据传输方向相反的光纤环组成，在正常情况下，只有一个环路在工作，另一个环路处于备用。当运行环路出现故障时，不管是链路故障还是站点故障，FDDI可自动重新配置，同时启动备用环路工作，使整个网络得以继续工作，参见图1。
由此可见，与常规DCS中采用的其它冗余通讯网络相比，FDDI不仅允许一个环路出现故障，而且允许两个环路都出现故障时仍然能够保证整个通讯系统的正常通讯，甚至在环路出现多处故障的情况下，整个网络仍然可以自动配置成多个分离的小环网继续工作。
4．3FDDI网的优缺点分析
确定性、高速、冗余以及高容错性等显著优点使得FDDI网络非常适合于要求严格的工业过程领域，可以满足大型复杂系统自动化控制通讯实时性的要求，因此，在近年来，几种典型DCS在其版本都相继引入了FDDI作为其主干控制网络，如ABB的PROCONTROLP、日立公司的HIACS5000+和西屋公司的Ovation。FDDI网络的zui大缺点就是其价格高昂，从而极大地限制了其使用范围，时至今日，它仍主要用于骨干网络，而在局域网中则使用很少。
5关于以太网在DCS中的使用
近年来，以太网在DCS主干通讯网络中的使用呈稳步上升趋势，其根本原因就是由于其价格非常低廉，在价格走低的同时传输速度却稳步上升。通过采用广泛使用的标准以太网产品，DCS厂商不仅能够根据需要方便地升级整个通讯系统性能，而且更为重要的是大大减少厂商的研发投资，降低整个系统成本，提高竞争优势。所有这些对于资金和技术力量都不太雄厚的厂商来说是非常重要的，尤其是对于中国的各DCS开发厂商。
以太网的致命缺点就是传输的不确定性和重载下的低性能，因此，为了有效减少传输延迟必须尽可能地减少以太网的通讯负荷。研究表明，20％通讯负荷是以太网用于工业控制系统中的—个比较合适的上限，此时整个系统的平均等待时间比较令人满意。通过合理优化整个DCS的数据传输体系，尽可能减少各节点之间的数据传输，同时通过采用各种有效传输措施，如信息压缩技术和事件报告技术等，整个网络的数据流量也可以进一步减少，从而可以保证整个网络处于较低的通讯负荷，提高整个系统的实时性。需要说明的是，以太网设计选型时必须考虑事故工况下通讯负荷显著增加的情况，通讯系统必须具备足够的裕量，必要时可以采用各种高速以太网。
分析各主要DCS发现，由于DCS不同通讯层次对实时性的不同要求，许多大型DCS，都将主干通讯网络划分为操作员网络和控制网络两个层次，如图2所示。这样，可以根据需要选用不同的网络类型和通讯协议，以降低整体成本。分析发现，采用这种分层结构的DCS，一般都在操作员网络使用工业标准以太网和TCP／IP协议，而在控制网络中则有所不同。有些厂商比较谨慎，仍然坚持采用确定性网络，如ABB的PROCONTROLP、日立公司的HIACS5000+和西屋公司的Ovation均采用了FDDI作为其控制网络，而另外一些则步子稍大，在其DCS控制网络同样采用了标准以太网，但是针对工业控制的特殊要求开发了通讯协议，以zui大限度地快速传递重要信息，其典型代表是西门子公司的TEI．EPERMXP和ABB公司的Advant。
相对而言，在引入以太网技术方面，美国MCS公司的步子zui大，在其的MAXl000+系统中，主干通讯网络没有划分为操作员网络和控制网络两个层次，全部采用工业标准以太网和TCP／IP协议。为了有效降低系统通讯负荷，减少传输延迟，特地采用了10Mbps/100Mbp交换式以太网，其中100Mbps端口用于各交换器之间的级连，而10Mbps端口则用于连接各个控制机柜和操作员台。
6结论
通过本文分析可以发现，令牌网、以太网和FDDI各具特点，在工业控制领域都有成功的应用业绩，各厂商可以根据需要加以灵活选择。根据本人观点，从发展角度看，以太网和FDDI将在DCS主干通讯网络中得到进一步使用：以太网的优势是其廉价、高速，低负荷时具有良好的性能，对中小型DCS来讲不失为一个比较理想的选择；而FDDI作为一种确定性的高速、高容错性网络，能够满足大型复杂系统自动化控制的苛刻要求。当然，zui后需要说明的是，一个成熟的DCS，通讯网络类型选择只是决定通讯系统效率的一个重要方面，但不是*方面，还有许多其它关键技术可以用来提高整个DCS的通讯效率和通讯实时性，譬如网络分段技术、信息压缩技术以及事件报告技术等，作者以后将就这些问题展开进一步讨论。
