集散控制系统通信网络

集散控制系统的通信网络是采用计算机网络中的局域网来实现的，它是控制系统的重要 支柱，执行分散控制的各单元以及各级人机接口要靠通信网络连成一体。

一、通信网络的特点

与一般的局域网不同，集散控制系统中采用的通信网络是用于生产过程的控制和管理， 它具有下列特点。

1. 实时性好，动态响应快

集散控制系统的应用对象是实际的工业生产过程，它传送的主要信息是实时的过程信息 和操作管理信息。因此，在集散控制系统中采用的通信网络要有良好的实时性和快速性。

2. 可靠性高

对于连续生产的工业过程，集散控制系统采用的通信网络也必须连续运行，任何暂时的 中断都会造成巨大的损失。为此，要求集散控制系统的通信网络具有*的可靠性。这点通常采用冗余技术来实现。

3.适应恶劣的工业现场环境

工业现场干扰频繁，比如雷击、电磁、电源干扰等，因此集散控制系统的通信环境较之 一般的通信系统环境要严酷得多，要求集散控制系统的通信网络具有强抗扰性并采用差错控 制，降低数据传输的误码率。

二、网络结构与通信介质

(一）网络结构

网络结构就是网络站点的不同连接方式，又称网络拓扑。通常有星型、总线型和环型以 及三种结构的混合型。

1.星型

星型结构如图7-2所示，网络中央的设备为主站，其他为从站，网上各从站间交换信息 都要通过主站。这种结构覆盖区域宽，扩展方便，很容易增加新的工作站，主从站间有 电缆连接，传输效率高，通信简单。然而，由于主站负责全部信息的协调与传输，一旦故障 发生，将导致整个系统陷于瘫痪。浙大中控的JX-300采用的就是星型网络。

2.总线型

总线型结构中所有的工作站都挂在总线上，如图7-3所示。任一工作站可作为主站或从 站，按实际需要确定。总线型结构简单，所需的连接电缆是所有结构中zui少的，系统可大可 小，拓展方便，网络中任一个工作站的故障不会影响整个系统。但是，一旦总线发生故障将 导致网络瘫痪。另外，由于所有的信息都在总线上传送，安全性能会随之下降。总线型通信 网络的性能主要取决于总线的“带宽”、挂接设备的数量和总线访问规程。总线型结构已成 为目前广泛采用的一种网络结构，如Honeywell的TPS、Yokogawa的Centum CS-3000。

3.环型

环型结构由连接在一起构成一个逻辑 环路的若干个工作站（节点）组成，节点 通过接口单元与环连接，如图7-4所示。

 网络中信息可以单向或双向传送，但在双 向数据通信中，需考虑路径的控制问题。 环型结构简单，控制逻辑简单，挂接和摘 除节点也比较容易，系统的初始开发成本

以及修改费用较低。但系统的可靠性差，当接口单元或数据通道出现故障时，整个系统将会 受到威胁。虽可通过增设“旁路通道”或采用双向环型数据通路等措施予以克服，但增加了 系统的复杂性和成本。Siemens的PCS 7就采用了冗余光纤环网。

由于各种网络结构都有自己的优缺点，因此在一些大型系统中，常常将几种网络结构合理地运用在同一个系统中，以实现优势互补。

(二）通信介质 

通信介质又称传输介质或信道，它是连接网上各站的物理信号通路，主要有双绞线、同轴电缆和光缆三种。

1. 散致故

双绞线是*且常用的通信介质，它由两根相互绝缘的铜导线按一定的规格互相缠绕 在一起而成。这种结构能较好地抑制电磁感应干扰，但由于双绞线有较大的分布电容，故不宜传输高频信号。

2. 同轴电缆

同轴电缆由内导体铜芯、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层和塑料保护外套f且成。由于 外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，现被广泛用于较高速率的数据传输。

3. 光缆

光缆是由光导纤维构成的电缆。电信号由光电转换器转换成光信号在光缆中传输，因= 在传输过程中不会受到电磁波或无线信号的干扰，也没有信号的传输损耗，保密性强。目則 光缆在集散控制系统的网络通信中已得到了越来越广泛的应用。

另外，在一些很难用缆线连接起来的场合，“无线网络”是一种合适的解决方案。微机 上可以安装小型的微波传输电路板，这些部件将信号传送到也有微波设备的其他网络工作 站。但使用无线网络的费用较之传统布线系统要高。

三、网络通信协议

为了使不同厂商的计算机网络之间能够互连，标准化组织（IS0)制定了开放系统 互连（OSI)参考模型。0S1参考模型采用分层结构，共分为七层，每一层为它上面一层服 务，在每一层中进行的修改不影响其他层。七层结构从下至上分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表不层和应用层。

局域网通信协议大多以OSI为基础，且多数协议标准是基于物理层和数据链路层来制 定的。数据链路层又分为介质访问控制层（MAC)和逻辑链路控制层（LLC)两层。由于 局域网仅是一个小范围内的单一网络，用户的应用接口可直接放在LLC上。MAC负责在物 理层的基础上进行无差错的通信，即将I丄C层送下来的数据进行封装发送，检测差错以及 寻址等；LLC则负责建立和释放逻辑连接，提供与应用程序的接口，进行差错控制。

目前使用zui广泛、影响zui大的局域网通信协议是1EEE (美国电气与电子工程师协会） 的802系列标准。该标准所提供的是局域网所应完成的基本通信功能，它包括：

IEEE 802. 1局域网概述、体系结构、网络管理和网络互联；

IEEE 802. 2逻辑链路控制；

IEEE 802. 3总线网的MAC与物理层标准；

IEEE 802. 4令牌总线网的MAC与物理层标准；

IEEE 802. 5令牌环网的MAC与物理层标准；

IEEE 802. 6城域网的MAC与物理层标准；

IEEE 802. 7宽带网技术标准；

IEEE 802. 8光纤网技术标准；

IEEE 802. 9综合语音/数据网标准；

IEEE 802. 10局域网安全标准；

IEEE 802. 11无线局域网标准；

IEEE 802. 12快速局域网标准；

IEEE 802. 13 未使用;

IEEE 802. 14交互式电视网技术标准；

IEEE 802. 15短距离无线网络技术标准；

IEEE 802. 16宽带无线接人系统标准；

IEEE 802. 17弹性分组环技术标准。

在集散控制系统的通信网络中，大多采用IEEE 802. 3和IEEE 802. 4这两种通信协议， LEEE 802.5也有所应用。这三种协议主要都是解决网络通信中介质存取控制子层（MAC) 的问题。

1. IEEE 802. 3——带有冲突检测的载波监听多路存取协议CSMA/CD

CSMA/CD是总线网zui常用的介质存取控制协议，属于争用型协议。它为各站提供均等 的发送机会，每个站点都能独立地决定帧的发送。在发送数据帧之前，首先要进行载波监 听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送 帧，则会产生冲突现象，这时发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。因此每个站必须 有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，然后随机延时一段时间后， 再重新争用介质，重发送帧。

CSMA/CD协议原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集 中控制，不提供优先级控制。但是，争用方式本身带来了 CSMA/CD协议中网络通信的不 确定性。在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降；而且协议对信号幅度也有 较高要求，需规定zui小帧长度。

2. IEEE 802. 5——令牌环型网络介质存取控制协议

令牌环在物理上是一个由一系列接口单元和这些接口间的点-点链路构成的闭合环路， 各站点通过接口单元连到环上。在环网上，有一个叫做“令牌”（token)的信号（其格式为 8位“1”）沿环运动。当令牌到达一个站点时，若该站没有数据要发送，就把令牌转到它的 下游站：若要发送数据，则先把令牌的zui后一个1改为0，并把要发送的数据帧加在它的后 面一起发送出去，数据帧的长度不受限制。数据帧发完后再重新产生一个令牌接到数据帧后 面，相当于把令牌传到下游站。数据帧到达一个站时，接口单元从地址字段识别出以该站为 目的地的数据帧，把其中的数据字段复制下来，校验无误则把数据送给主机。zui后，数据帧 绕环一周返回发送站点，并由其从环路上撤除所发的数据帧。

IEEE 802. 5协议规定只有获得令牌的站点才有权发送数据帧，完成数据发送后立即释 放令牌以供其他站点使用。由于环路中只有一个令牌，因此任何时刻至多只有一个站点发送 数据，不会产生冲突，但需要复杂的管理和优先级支持功能。该协议在轻负荷时，将会有许 多无用的令牌传递时间，效率较低；在重负荷时效率较高。而且环网结构复杂，存在检错和 可靠性等问题。

3. IEEE 802. 4——令牌总线介质存取控制协议

令牌总线是在综合了总线争用和令牌环优点的基础上形成的一种介质存取控制协议。它 和令牌环类似，也是利用令牌作为控制机制。但不同的是，采用令牌总线方法的局域网中， 在物理上它是总线型的，但是在逻辑上又成了一种环型结构。总线上站点的实际顺序与逻辑顺序并无对应关系。

IEEE 802. 4协议连接简单，采用无冲突介质访问方式，信道吞吐量高，负荷变化的影 响较小，且能支持优先级通信，但是协议比较复杂，有较大的延迟，在轻负荷条件下同样效 率较低。