集散控制系統通信網絡

集散控制系統的通信網絡是采用計算機網絡中的局域網來實現的，它是控制系統的重要 支柱，執行分散控制的各單元以及各級人機接口要靠通信網絡連成一體。

一、通信網絡的特點

與一般的局域網不同，集散控制系統中采用的通信網絡是用于生產過程的控制和管理， 它具有下列特點。

1. 實時性好，動態響應快

集散控制系統的應用對象是實際的工業生產過程，它傳送的主要信息是實時的過程信息 和操作管理信息。因此，在集散控制系統中采用的通信網絡要有良好的實時性和快速性。

2. 可靠性高

對于連續生產的工業過程，集散控制系統采用的通信網絡也必須連續運行，任何暫時的 中斷都會造成巨大的損失。為此，要求集散控制系統的通信網絡具有*的可靠性。這點通常采用冗余技術來實現。

3.適應惡劣的工業現場環境

工業現場干擾頻繁，比如雷擊、電磁、電源干擾等，因此集散控制系統的通信環境較之 一般的通信系統環境要嚴酷得多，要求集散控制系統的通信網絡具有強抗擾性并采用差錯控 制，降低數據傳輸的誤碼率。

二、網絡結構與通信介質

(一）網絡結構

網絡結構就是網絡站點的不同連接方式，又稱網絡拓撲。通常有星型、總線型和環型以 及三種結構的混合型。

1.星型

星型結構如圖7-2所示，網絡中央的設備為主站，其他為從站，網上各從站間交換信息 都要通過主站。這種結構覆蓋區域寬，擴展方便，很容易增加新的工作站，主從站間有 電纜連接，傳輸效率高，通信簡單。然而，由于主站負責全部信息的協調與傳輸，一旦故障 發生，將導致整個系統陷于癱瘓。浙大中控的JX-300采用的就是星型網絡。

2.總線型

總線型結構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，按實際需要確定。總線型結構簡單，所需的連接電纜是所有結構中zui少的，系統可大可 小，拓展方便，網絡中任一個工作站的故障不會影響整個系統。但是，一旦總線發生故障將 導致網絡癱瘓。另外，由于所有的信息都在總線上傳送，安全性能會隨之下降?？偩€型通信 網絡的性能主要取決于總線的“帶寬”、掛接設備的數量和總線訪問規程?？偩€型結構已成 為目前廣泛采用的一種網絡結構，如Honeywell的TPS、Yokogawa的Centum CS-3000。

3.環型

環型結構由連接在一起構成一個邏輯 環路的若干個工作站（節點）組成，節點 通過接口單元與環連接，如圖7-4所示。

 網絡中信息可以單向或雙向傳送，但在雙 向數據通信中，需考慮路徑的控制問題。 環型結構簡單，控制邏輯簡單，掛接和摘 除節點也比較容易，系統的初始開發成本

以及修改費用較低。但系統的可靠性差，當接口單元或數據通道出現故障時，整個系統將會 受到威脅。雖可通過增設“旁路通道”或采用雙向環型數據通路等措施予以克服，但增加了 系統的復雜性和成本。Siemens的PCS 7就采用了冗余光纖環網。

由于各種網絡結構都有自己的優缺點，因此在一些大型系統中，常常將幾種網絡結構合理地運用在同一個系統中，以實現優勢互補。

(二）通信介質 

通信介質又稱傳輸介質或信道，它是連接網上各站的物理信號通路，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，它由兩根相互絕緣的銅導線按一定的規格互相纏繞 在一起而成。這種結構能較好地抑制電磁感應干擾，但由于雙絞線有較大的分布電容，故不宜傳輸高頻信號。

2. 同軸電纜

同軸電纜由內導體銅芯、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層和塑料保護外套f且成。由于 外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗干擾特性，現被廣泛用于較高速率的數據傳輸。

3. 光纜

光纜是由光導纖維構成的電纜。電信號由光電轉換器轉換成光信號在光纜中傳輸，因= 在傳輸過程中不會受到電磁波或無線信號的干擾，也沒有信號的傳輸損耗，保密性強。目則 光纜在集散控制系統的網絡通信中已得到了越來越廣泛的應用。

另外，在一些很難用纜線連接起來的場合，“無線網絡”是一種合適的解決方案。微機 上可以安裝小型的微波傳輸電路板，這些部件將信號傳送到也有微波設備的其他網絡工作 站。但使用無線網絡的費用較之傳統布線系統要高。

三、網絡通信協議

為了使不同廠商的計算機網絡之間能夠互連，標準化組織（IS0)制定了開放系統 互連（OSI)參考模型。0S1參考模型采用分層結構，共分為七層，每一層為它上面一層服 務，在每一層中進行的修改不影響其他層。七層結構從下至上分別是：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表不層和應用層。

局域網通信協議大多以OSI為基礎，且多數協議標準是基于物理層和數據鏈路層來制 定的。數據鏈路層又分為介質訪問控制層（MAC)和邏輯鏈路控制層（LLC)兩層。由于 局域網僅是一個小范圍內的單一網絡，用戶的應用接口可直接放在LLC上。MAC負責在物 理層的基礎上進行無差錯的通信，即將I丄C層送下來的數據進行封裝發送，檢測差錯以及 尋址等；LLC則負責建立和釋放邏輯連接，提供與應用程序的接口，進行差錯控制。

目前使用zui廣泛、影響zui大的局域網通信協議是1EEE (美國電氣與電子工程師協會） 的802系列標準。該標準所提供的是局域網所應完成的基本通信功能，它包括：

IEEE 802. 1局域網概述、體系結構、網絡管理和網絡互聯；

IEEE 802. 2邏輯鏈路控制；

IEEE 802. 3總線網的MAC與物理層標準；

IEEE 802. 4令牌總線網的MAC與物理層標準；

IEEE 802. 5令牌環網的MAC與物理層標準；

IEEE 802. 6城域網的MAC與物理層標準；

IEEE 802. 7寬帶網技術標準；

IEEE 802. 8光纖網技術標準；

IEEE 802. 9綜合語音/數據網標準；

IEEE 802. 10局域網安全標準；

IEEE 802. 11無線局域網標準；

IEEE 802. 12快速局域網標準；

IEEE 802. 13 未使用;

IEEE 802. 14交互式電視網技術標準；

IEEE 802. 15短距離無線網絡技術標準；

IEEE 802. 16寬帶無線接人系統標準；

IEEE 802. 17彈性分組環技術標準。

在集散控制系統的通信網絡中，大多采用IEEE 802. 3和IEEE 802. 4這兩種通信協議， LEEE 802.5也有所應用。這三種協議主要都是解決網絡通信中介質存取控制子層（MAC) 的問題。

1. IEEE 802. 3——帶有沖突檢測的載波監聽多路存取協議CSMA/CD

CSMA/CD是總線網zui常用的介質存取控制協議，屬于爭用型協議。它為各站提供均等 的發送機會，每個站點都能獨立地決定幀的發送。在發送數據幀之前，首先要進行載波監 聽，只有介質空閑時，才允許發送幀。這時，如果兩個以上的站同時監聽到介質空閑并發送 幀，則會產生沖突現象，這時發送的幀都成為無效幀，發送隨即宣告失敗。因此每個站必須 有能力隨時檢測沖突是否發生，一旦發生沖突，則應停止發送，然后隨機延時一段時間后， 再重新爭用介質，重發送幀。

CSMA/CD協議原理比較簡單，技術上易實現，網絡中各工作站處于平等地位，不需集 中控制，不提供優先級控制。但是，爭用方式本身帶來了 CSMA/CD協議中網絡通信的不 確定性。在網絡負載增大時，發送時間增長，發送效率急劇下降；而且協議對信號幅度也有 較高要求，需規定zui小幀長度。

2. IEEE 802. 5——令牌環型網絡介質存取控制協議

令牌環在物理上是一個由一系列接口單元和這些接口間的點-點鏈路構成的閉合環路， 各站點通過接口單元連到環上。在環網上，有一個叫做“令牌”（token)的信號（其格式為 8位“1”）沿環運動。當令牌到達一個站點時，若該站沒有數據要發送，就把令牌轉到它的 下游站：若要發送數據，則先把令牌的zui后一個1改為0，并把要發送的數據幀加在它的后 面一起發送出去，數據幀的長度不受限制。數據幀發完后再重新產生一個令牌接到數據幀后 面，相當于把令牌傳到下游站。數據幀到達一個站時，接口單元從地址字段識別出以該站為 目的地的數據幀，把其中的數據字段復制下來，校驗無誤則把數據送給主機。zui后，數據幀 繞環一周返回發送站點，并由其從環路上撤除所發的數據幀。

IEEE 802. 5協議規定只有獲得令牌的站點才有權發送數據幀，完成數據發送后立即釋 放令牌以供其他站點使用。由于環路中只有一個令牌，因此任何時刻至多只有一個站點發送 數據，不會產生沖突，但需要復雜的管理和優先級支持功能。該協議在輕負荷時，將會有許 多無用的令牌傳遞時間，效率較低；在重負荷時效率較高。而且環網結構復雜，存在檢錯和 可靠性等問題。

3. IEEE 802. 4——令牌總線介質存取控制協議

令牌總線是在綜合了總線爭用和令牌環優點的基礎上形成的一種介質存取控制協議。它 和令牌環類似，也是利用令牌作為控制機制。但不同的是，采用令牌總線方法的局域網中， 在物理上它是總線型的，但是在邏輯上又成了一種環型結構?？偩€上站點的實際順序與邏輯順序并無對應關系。

IEEE 802. 4協議連接簡單，采用無沖突介質訪問方式，信道吞吐量高，負荷變化的影 響較小，且能支持優先級通信，但是協議比較復雜，有較大的延遲，在輕負荷條件下同樣效 率較低。