交換式快速以太網在DCS系統中的應用

　　一、概述
　　
　　為過程控制系統建立通信網絡的首要目標是，保持在所有條件下系統通信的完整性。在發電廠中，這類網絡顯得尤為重要。統治DCS分散控制系統應用設計的保守要求，總是規定連接控制器和分散處理裝置的通信網絡必須采用與數據處理和管理系統網絡不同的標準。
　　
　　DCS通信網絡的設計要求可歸納為:
　　
　　●可用性:所有網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:系統能使網絡交通zui小化，但在大量數據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通信網絡
　　
　　1.令牌環網
　　
　　大部分分散控制系統采用基于不同標準的令牌環網(TokenRing)來保證高可靠性以及站點的訪問。圖1解釋了令牌環網的工作原埋。一個特定站點發出一個的"令牌"信息，該令牌在網絡上按一個特定的次序循環，旋轉的次序不必一定與站點在網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重要的是循環受到控制并且周而復始。這類系統被稱為"確定性的"。　　當令牌在一個站點停留時，該站點能夠收發信息。一些系統中，站點取得令牌時只是請求信息，這些系統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出請求的站點的時間段內。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才能繼續。
　　
　　網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。冗余的逆向旋轉環網的主要優點，是能夠在多處中斷的情況下繼續工作。令牌網也可以是多站點的總線型網絡結構。
　　
　　這類系統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
　　
　　某些場合的網絡是多層的，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，但通常采用的協議。較高層有時也稱作操作層網絡(即工作站網絡)，可以基于一種工業標準例如以太網，冗余并采用更開放的協議。也可有第三層，這是非冗余的，是專為信息管理系統的應用設計的。
　　
　　以太網和其它基于CSMA/CD(載波偵聽多路訪問/沖突檢測)的協議在這類應用中有局限性。這些網絡很容易被淹沒，除非采取一定的措施，例如限制站點數目、將站點隔離成域等等。
　　
　　以太網zui大的優點在于這是一個真正民主的系統!這可以用圖2來簡單的解釋。網絡上的任何站點可以在任何時間訪問網絡(有時也被稱作"廣播")，傳送一個信息或偵聽任何傳輸。對站點沒有規定的次序和時間的限制，也沒有令牌傳遞系統固有的等待周期。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，這個優點就可能成為一個大的缺點。　　當一個站點偵聽到沖突時，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沖突，有關的站點再次后退，等待更長的時間再進行重試。站點等待的時間呈指數型增加。因此，這種方法也被稱作"指數型后退"。在活動量高的周期中，網絡使用率急劇增大，就有可能造成系統更新的延遲。早期的以太網就是這種情況，其運行速度很低(zui初是3Mbps，然后是lOMbps，現在是1OOMbps)。載波速度的提高大大降低了潛在的滯后。盡管如此，控制系統行業仍對以太網作為分散控制系統的主干網心存疑慮。
　　
　　集線器(Hub)的應用增強了以太網系統，它能夠隔離站點，排除了菊花鏈連接。圖3是用一個集線器構成的一個簡單的星型網絡。在這種系統中，一個壞的站點不會影響網絡，可以很容易地將單個站點與網絡隔離，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)，沖突仍可能發生并影響網絡的負荷。　　以太網尋址簡便，容易被駐留在以太網上層的高層協議接受。
　　
　　●MAC地址:
　　
　　每個以太網卡有一個*的(MAC)地址，這是用16進制表示的48位2進制數，通常分成6段，每個站點有兩個相同的網卡作冗余;
　　
　　MAC地址嵌入每條以太網信息中;
　　
　　例子:00-2O-A5-33-5D-17。
　　
　　●IP地址:
　　
　　以太網之上的高層協議(TCP/IP);
　　
　　嵌入以太網幀數據;
　　
　　例子:10.23.55.16;
　　
　　每個站點賦予一個不同的IP地址;
　　
　　每個站點網絡A和網絡B的IP地址只是網絡號不同。例如:#12操作員站在網絡A的地址為2.99.99.22,#12操作員站在網絡B的地址為3.99.99.22。
　　
　　以太網是世界上zui廣泛使用的局域網，得到眾多供應商的支持，它已經成為許多應用的工業標準?，F在，采用工業標準硬件和軟件在基于In的平臺上運行微軟Windows的局域網，顯示出比先前采用昂貴的基于RISC的工作站運行UNIX實現的局域網有更大的優勢，能夠滿足分散控制系統的需求。
　　
　　3.快速以太網
　　
　　快速以太網基于傳統的以太網，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網絡并存，網絡互連不需要協議轉換，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，FDDI系統的性能不會降低，在90%帶寬被使用的情況下仍能維持工作。但網絡設計者在設計快速以太網系統時，必須保證有足夠的額外能力來應付將來網絡的擴展和擾動的工況，這能夠迅速將網絡推到其zui大能力。因此，快速以太網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
　　
　　用智能交換機進一步增強以太網，從而提供了比FDDI等令牌傳遞系統更佳的性能，保證所有站點對網絡的多道同時的訪問。這種變化被稱為交換式快速以太網(SwitchedFastEthernet)。
　　
　　交換機(Switch)是如何工作的呢?
　　
　　●查看MAC目的地址;
　　
　　●存儲并以"網速"轉發信息到合適的瑞口；
　　
　　●在工作過程中收聽并學習整個數據庫；
　　
　　●交換機并不理解其傳輸的信息，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節點設備一半的價格。
　　
　　網絡各處使用的智能交換機構成了交換式快速以太網的主干。zui簡單的是一個星型結構，但多數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。主干網將大范圍內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絡及其支持多道同時通信的簡單例子。　　交換式快速以太網的主要優點如下:
　　
　　●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點的站。交換機產生了通過節點的傳輸率的"網速"。
　　
　　●可以將l0Mbps鏈接到100Mbps網絡。
　　
　　●增加了網絡的物理規模。
　　
　　●允許任何時刻的訪問。交換式快速以太網是一個民主系統，沒有一個決定何時可以訪問網絡的固定模式。因此，交換式快速以太網沒有FDDI那種明顯的等待周期。測試證明，端口能夠保證1OOMBPS的數據通行量。
　　
　　●容錯性。交換式快速以太網和FDDI都是冗余系統，都能在瞬間切換到后備系統。然而，交換式快速以太網能夠交錯連接站點提供不同的通信路徑，FDDI則做不到這一點。
　　
　　●交換機具有診斷功能，可以檢測網絡中故障或中斷的部分。
　　
　　三、交換式快速以太網在DCS中的應用
　　
　　美卓自動化公司提供的maxDNA分散控制系統的通信系統采用交換式快速以太網。電廠中各種功能的子系統均可以通過主干網maxNET連接。1OOMbps主干網是全雙工的，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的網絡結構。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。　　每個maxSTATION工作站有兩個以太網卡，一個用于A網絡，另一個用于B網絡。每個網卡有一個*的媒介訪問控制(MAC)地址，該MAC地址嵌入每一個以太網信息。高層協議(TCP/IP)在以太網的頂層?；ヂ摼W協議(IP)嵌入一個以太網幀數據部分，每個站有一個不同的IP地址，由交換機。在這種結構下，網絡的物理規模(即站點數)可以不受限制地擴大。
　　
　　為了傳送數據，交換機檢查MAC目的地址，在適當的端口存儲并轉發信息到正確的站點。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。
　　
　　由于交換機知道網絡的分布，它僅向正確的端口轉發信息，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，也不會因對話而形成對其它站點的干擾。
　　
　　maxNET采用工業標準的硬件(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，用戶可以在網絡及工作站設備和軟件主要供應商的產品升級后獲得增強系統性能的好處。
　　
　　交換式快速以太網系統的另一個主要優點是，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，這使系統得以在多處故障的關頭存活。　　四、總結
　　
　　交換式快速以太網為令牌傳遞系統如FDDI/CDDI提供了經濟有效的替代方案。它對網絡的訪問沒有令牌傳遞系統固有的等待周期，具有比其它任何網絡都高的帶寬——200Mbps，能夠全雙工工作。采用智能交換機使網絡更靈活，并允許多個通信路徑，以及多個站點的同時通信。
　　
　　交換式快速以太網采用標準的硬件和軟件，因而容易與其它系統和網絡接口。同時，它能夠充分利用設備供應商將來的增強和改進，從而保證平穩升級的途徑。