集散控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)是采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的局域網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它是控制系統(tǒng)的重要 支柱，執(zhí)行分散控制的各單元以及各級(jí)人機(jī)接口要靠通信網(wǎng)絡(luò)連成一體。

一、通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

與一般的局域網(wǎng)不同，集散控制系統(tǒng)中采用的通信網(wǎng)絡(luò)是用于生產(chǎn)過(guò)程的控制和管理， 它具有下列特點(diǎn)。

1. 實(shí)時(shí)性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快

集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象是實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，它傳送的主要信息是實(shí)時(shí)的過(guò)程信息 和操作管理信息。因此，在集散控制系統(tǒng)中采用的通信網(wǎng)絡(luò)要有良好的實(shí)時(shí)性和快速性。

2. 可靠性高

對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)的工業(yè)過(guò)程，集散控制系統(tǒng)采用的通信網(wǎng)絡(luò)也必須連續(xù)運(yùn)行，任何暫時(shí)的 中斷都會(huì)造成巨大的損失。為此，要求集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)具有*的可靠性。這點(diǎn)通常采用冗余技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾頻繁，比如雷擊、電磁、電源干擾等，因此集散控制系統(tǒng)的通信環(huán)境較之 一般的通信系統(tǒng)環(huán)境要嚴(yán)酷得多，要求集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)抗擾性并采用差錯(cuò)控 制，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。

二、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通信介質(zhì)

(一）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就是網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的不同連接方式，又稱網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹ＭǔＳ行切汀⒖偩€型和環(huán)型以 及三種結(jié)構(gòu)的混合型。

1.星型

星型結(jié)構(gòu)如圖7-2所示，網(wǎng)絡(luò)中央的設(shè)備為主站，其他為從站，網(wǎng)上各從站間交換信息 都要通過(guò)主站。這種結(jié)構(gòu)覆蓋區(qū)域?qū)挘瑪U(kuò)展方便，很容易增加新的工作站，主從站間有 電纜連接，傳輸效率高，通信簡(jiǎn)單。然而，由于主站負(fù)責(zé)全部信息的協(xié)調(diào)與傳輸，一旦故障 發(fā)生，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)陷于癱瘓。浙大中控的JX-300采用的就是星型網(wǎng)絡(luò)。

2.總線型

總線型結(jié)構(gòu)中所有的工作站都掛在總線上，如圖7-3所示。任一工作站可作為主站或從 站，按實(shí)際需要確定。總線型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需的連接電纜是所有結(jié)構(gòu)中zui少的，系統(tǒng)可大可 小，拓展方便，網(wǎng)絡(luò)中任一個(gè)工作站的故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。但是，一旦總線發(fā)生故障將 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。另外，由于所有的信息都在總線上傳送，安全性能會(huì)隨之下降。總線型通信 網(wǎng)絡(luò)的性能主要取決于總線的“帶寬”、掛接設(shè)備的數(shù)量和總線訪問(wèn)規(guī)程。總線型結(jié)構(gòu)已成 為目前廣泛采用的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如Honeywell的TPS、Yokogawa的Centum CS-3000。

3.環(huán)型

環(huán)型結(jié)構(gòu)由連接在一起構(gòu)成一個(gè)邏輯 環(huán)路的若干個(gè)工作站（節(jié)點(diǎn)）組成，節(jié)點(diǎn) 通過(guò)接口單元與環(huán)連接，如圖7-4所示。

 網(wǎng)絡(luò)中信息可以單向或雙向傳送，但在雙 向數(shù)據(jù)通信中，需考慮路徑的控制問(wèn)題。 環(huán)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制邏輯簡(jiǎn)單，掛接和摘 除節(jié)點(diǎn)也比較容易，系統(tǒng)的初始開發(fā)成本

以及修改費(fèi)用較低。但系統(tǒng)的可靠性差，當(dāng)接口單元或數(shù)據(jù)通道出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì) 受到威脅。雖可通過(guò)增設(shè)“旁路通道”或采用雙向環(huán)型數(shù)據(jù)通路等措施予以克服，但增加了 系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。Siemens的PCS 7就采用了冗余光纖環(huán)網(wǎng)。

由于各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在一些大型系統(tǒng)中，常常將幾種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理地運(yùn)用在同一個(gè)系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

(二）通信介質(zhì) 

通信介質(zhì)又稱傳輸介質(zhì)或信道，它是連接網(wǎng)上各站的物理信號(hào)通路，主要有雙絞線、同軸電纜和光纜三種。

1. 散致故

雙絞線是*且常用的通信介質(zhì)，它由兩根相互絕緣的銅導(dǎo)線按一定的規(guī)格互相纏繞 在一起而成。這種結(jié)構(gòu)能較好地抑制電磁感應(yīng)干擾，但由于雙絞線有較大的分布電容，故不宜傳輸高頻信號(hào)。

2. 同軸電纜

同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅芯、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層和塑料保護(hù)外套f且成。由于 外導(dǎo)體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗干擾特性，現(xiàn)被廣泛用于較高速率的數(shù)據(jù)傳輸。

3. 光纜

光纜是由光導(dǎo)纖維構(gòu)成的電纜。電信號(hào)由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光信號(hào)在光纜中傳輸，因= 在傳輸過(guò)程中不會(huì)受到電磁波或無(wú)線信號(hào)的干擾，也沒有信號(hào)的傳輸損耗，保密性強(qiáng)。目則 光纜在集散控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信中已得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

另外，在一些很難用纜線連接起來(lái)的場(chǎng)合，“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)”是一種合適的解決方案。微機(jī) 上可以安裝小型的微波傳輸電路板，這些部件將信號(hào)傳送到也有微波設(shè)備的其他網(wǎng)絡(luò)工作 站。但使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用較之傳統(tǒng)布線系統(tǒng)要高。

三、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

為了使不同廠商的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間能夠互連，標(biāo)準(zhǔn)化組織（IS0)制定了開放系統(tǒng) 互連（OSI)參考模型。0S1參考模型采用分層結(jié)構(gòu)，共分為七層，每一層為它上面一層服 務(wù)，在每一層中進(jìn)行的修改不影響其他層。七層結(jié)構(gòu)從下至上分別是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表不層和應(yīng)用層。

局域網(wǎng)通信協(xié)議大多以O(shè)SI為基礎(chǔ)，且多數(shù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是基于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層來(lái)制 定的。數(shù)據(jù)鏈路層又分為介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC)和邏輯鏈路控制層（LLC)兩層。由于 局域網(wǎng)僅是一個(gè)小范圍內(nèi)的單一網(wǎng)絡(luò)，用戶的應(yīng)用接口可直接放在LLC上。MAC負(fù)責(zé)在物 理層的基礎(chǔ)上進(jìn)行無(wú)差錯(cuò)的通信，即將I丄C層送下來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝發(fā)送，檢測(cè)差錯(cuò)以及 尋址等；LLC則負(fù)責(zé)建立和釋放邏輯連接，提供與應(yīng)用程序的接口，進(jìn)行差錯(cuò)控制。

目前使用zui廣泛、影響zui大的局域網(wǎng)通信協(xié)議是1EEE (美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)） 的802系列標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)所提供的是局域網(wǎng)所應(yīng)完成的基本通信功能，它包括：

IEEE 802. 1局域網(wǎng)概述、體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；

IEEE 802. 2邏輯鏈路控制；

IEEE 802. 3總線網(wǎng)的MAC與物理層標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802. 4令牌總線網(wǎng)的MAC與物理層標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802. 5令牌環(huán)網(wǎng)的MAC與物理層標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802. 6城域網(wǎng)的MAC與物理層標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802. 7寬帶網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802. 8光纖網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802. 9綜合語(yǔ)音/數(shù)據(jù)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802. 10局域網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802. 11無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802. 12快速局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802. 13 未使用;

IEEE 802. 14交互式電視網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802. 15短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802. 16寬帶無(wú)線接人系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802. 17彈性分組環(huán)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

在集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中，大多采用IEEE 802. 3和IEEE 802. 4這兩種通信協(xié)議， LEEE 802.5也有所應(yīng)用。這三種協(xié)議主要都是解決網(wǎng)絡(luò)通信中介質(zhì)存取控制子層（MAC) 的問(wèn)題。

1. IEEE 802. 3——帶有沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路存取協(xié)議CSMA/CD

CSMA/CD是總線網(wǎng)zui常用的介質(zhì)存取控制協(xié)議，屬于爭(zhēng)用型協(xié)議。它為各站提供均等 的發(fā)送機(jī)會(huì)，每個(gè)站點(diǎn)都能獨(dú)立地決定幀的發(fā)送。在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先要進(jìn)行載波監(jiān) 聽，只有介質(zhì)空閑時(shí)，才允許發(fā)送幀。這時(shí)，如果兩個(gè)以上的站同時(shí)監(jiān)聽到介質(zhì)空閑并發(fā)送 幀，則會(huì)產(chǎn)生沖突現(xiàn)象，這時(shí)發(fā)送的幀都成為無(wú)效幀，發(fā)送隨即宣告失敗。因此每個(gè)站必須 有能力隨時(shí)檢測(cè)沖突是否發(fā)生，一旦發(fā)生沖突，則應(yīng)停止發(fā)送，然后隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間后， 再重新爭(zhēng)用介質(zhì)，重發(fā)送幀。

CSMA/CD協(xié)議原理比較簡(jiǎn)單，技術(shù)上易實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各工作站處于平等地位，不需集 中控制，不提供優(yōu)先級(jí)控制。但是，爭(zhēng)用方式本身帶來(lái)了 CSMA/CD協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)通信的不 確定性。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時(shí)，發(fā)送時(shí)間增長(zhǎng)，發(fā)送效率急劇下降；而且協(xié)議對(duì)信號(hào)幅度也有 較高要求，需規(guī)定zui小幀長(zhǎng)度。

2. IEEE 802. 5——令牌環(huán)型網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)存取控制協(xié)議

令牌環(huán)在物理上是一個(gè)由一系列接口單元和這些接口間的點(diǎn)-點(diǎn)鏈路構(gòu)成的閉合環(huán)路， 各站點(diǎn)通過(guò)接口單元連到環(huán)上。在環(huán)網(wǎng)上，有一個(gè)叫做“令牌”（token)的信號(hào)（其格式為 8位“1”）沿環(huán)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)令牌到達(dá)一個(gè)站點(diǎn)時(shí)，若該站沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，就把令牌轉(zhuǎn)到它的 下游站：若要發(fā)送數(shù)據(jù)，則先把令牌的zui后一個(gè)1改為0，并把要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀加在它的后 面一起發(fā)送出去，數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度不受限制。數(shù)據(jù)幀發(fā)完后再重新產(chǎn)生一個(gè)令牌接到數(shù)據(jù)幀后 面，相當(dāng)于把令牌傳到下游站。數(shù)據(jù)幀到達(dá)一個(gè)站時(shí)，接口單元從地址字段識(shí)別出以該站為 目的地的數(shù)據(jù)幀，把其中的數(shù)據(jù)字段復(fù)制下來(lái)，校驗(yàn)無(wú)誤則把數(shù)據(jù)送給主機(jī)。zui后，數(shù)據(jù)幀 繞環(huán)一周返回發(fā)送站點(diǎn)，并由其從環(huán)路上撤除所發(fā)的數(shù)據(jù)幀。

IEEE 802. 5協(xié)議規(guī)定只有獲得令牌的站點(diǎn)才有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，完成數(shù)據(jù)發(fā)送后立即釋 放令牌以供其他站點(diǎn)使用。由于環(huán)路中只有一個(gè)令牌，因此任何時(shí)刻至多只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送 數(shù)據(jù)，不會(huì)產(chǎn)生沖突，但需要復(fù)雜的管理和優(yōu)先級(jí)支持功能。該協(xié)議在輕負(fù)荷時(shí)，將會(huì)有許 多無(wú)用的令牌傳遞時(shí)間，效率較低；在重負(fù)荷時(shí)效率較高。而且環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在檢錯(cuò)和 可靠性等問(wèn)題。

3. IEEE 802. 4——令牌總線介質(zhì)存取控制協(xié)議

令牌總線是在綜合了總線爭(zhēng)用和令牌環(huán)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上形成的一種介質(zhì)存取控制協(xié)議。它 和令牌環(huán)類似，也是利用令牌作為控制機(jī)制。但不同的是，采用令牌總線方法的局域網(wǎng)中， 在物理上它是總線型的，但是在邏輯上又成了一種環(huán)型結(jié)構(gòu)。總線上站點(diǎn)的實(shí)際順序與邏輯順序并無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

IEEE 802. 4協(xié)議連接簡(jiǎn)單，采用無(wú)沖突介質(zhì)訪問(wèn)方式，信道吞吐量高，負(fù)荷變化的影 響較小，且能支持優(yōu)先級(jí)通信，但是協(xié)議比較復(fù)雜，有較大的延遲，在輕負(fù)荷條件下同樣效 率較低。