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一、集散控制系統概述 集散控制系統（DCS，Distributed Control System）是集計算機技術、控制技術和網絡技術為一體的高新技術產品，具有控制功能強、操作簡便和可靠性高等特點，可以方便地用于工業裝置的生產控制和經營管理，在航空、化工、電力、冶金等工業自動化領域的應用已經十分普及。近20多年來，由于微電子技術和計算機技術的飛速發展以及工業自動化要求的逐步提高，集散控制系統經歷了幾個階段的發展過程，結構日臻完善，技術更加成熟，已經成為生產自動化不可缺少的自控裝置。特別是90年代，集散控制系統的硬件方面廣泛采用技術指標更先進的高檔工業PC，有的甚至采用了RISC工作站，軟件方面引入了通用的商業化軟件包，系統互連方面采用國際標準的通用網絡，逐步向信息集成的方向發展。 集散控制系統雖然經歷了幾個階段的發展過程，但其系統硬件結構始終保留著集中管理（包括操作站、工程師站和上位機）、監視控制和網絡通信三大部分，并以實現分散控制和集中管理功能為目標。 監視控制站包括三個方面的功能：現場檢測模擬量、數字量和脈沖量的輸入輸出并進行轉換處理；各種控制回路的運算(調節回路、邏輯運算等)；控制運算結果的直接輸出。 工程師站負責系統的管理、控制組態、系統生成與下裝。 操作站是人機接口，由微處理器、CRT顯示器、鍵盤和打印機等組成，用于生產工藝的控制操作、過程狀態顯示、報警狀態顯示以及實時數據和歷史數據顯示打印等。上位機實現生產調度管理、優化計算、生產經營管理與決策等層次的管理和計算。 網絡通信部分負責各種功能站之間的數據通信和聯絡。集散控制系統網絡正在逐步走向開放。集散控制系統廠家也紛紛采用通用標準網絡，以便于不同廠家的產品相互連接和通信。 隨著集散控制系統微處理器通用化和通信網絡標準化，現在的集散控制系統更便于實現與各種PC機、PLC和大型計算機的聯網通信，也就更加便于組成企業自動化綜合控制并將其納入生產經營管理系統。集散控制系統向開放性發展，要求各個制造廠的產品符合標準網絡通信協議，可以相互連接、相互通信并進行數據交換，應用軟件也可以互通有無，從而大大方便了用戶。 二、集散控制系統對實時通信的挑戰 網絡的標準化促進了集散控制系統的開放性。網絡技術這幾年有了突飛猛進的發展，集散控制系統的對內對外通信技術也在迅速發展，原有專用網絡被廢除，系統內部的控制站和操作站均采用令牌環網、以太網或FDDI網絡產品。因此集散控制系統產品只要符合這些標準，就可以互相交換信息，也就是說它們在這個層次上具備了開放性。 但是在一些實時性要求非常高的應用中，傳統的網絡方法就不能使用。在這些實時應用中必須考慮如下的需求： ●確定性 集散控制系統中，為另一個應用程序使用的數據必須很容易地在指定的和可預見的時間內準時獲得，而且在系統運行期間的任何時候都必須做到這一點。可預知數據流的需求給網絡協議的確定性設定了一個剛性的要求，確定性對于大多數基于OSI七層協議模型兼容網絡是不可能做到的。 ●延遲 對于實時數據傳輸而言，運行在一個計算機系統上應用將其輸出的數據作為運行在另一個計算機系統上的另一個應用的數據輸入的時間具有重大的時效意義。不幸的是對于實時系統的架構，在今天的市場上的大多數網絡的目標是數據處理。它們的數據處理設計目標是帶寬最大化。他們被設計用來實現帶寬效率最大化，而在傳輸延遲最小化方面很少受到關注； ●小數據包的通信效率 在集散控制系統中，每個數據包都不是很大，但是傳統的網絡對小數據包的傳輸效率遠遠低于對大數據包的傳輸速率； ●可靠性 很多集散控制系統需要絕對的數據完整。不能容忍數據差錯；如果一個錯誤出現，它必須立即被改正。環狀拓撲能實現可靠的差錯檢測與糾正設計。很多差錯檢測和糾正方法可以各種網絡拓撲下實現，但是沒有一個如環狀網絡那么堅固和易于實現源消除和數據比較。 ●跨平臺支持 集散控制系統往往由大量的不兼容的處理系統組成，有的是工業控制PC，有的是SUN/SGI工作站，有的又使用遷入式系統。因此，網絡通信模塊要能夠對不同平臺的系統進行支持。 三、解決方案與優勢 反射存儲網絡融合了復制共享存儲器設計和環狀網絡拓撲結構的優點，專門為實時系統設計。環狀拓撲比總線或者星形拓撲更適合反射存儲網絡，因為它提供的網絡特征增強了實時網絡性能。它具有如下優勢： ●可預測的確定性性能； ●最小的傳輸延遲； ●小數據包的通信效率； ●透明性無需加載軟件完成數據通信； ●快速的系統重配置； ●快速錯誤恢復； ●可擴展性，允許集成不同廠商的系統硬件，允許大量的計算機系統連接； ●允許計算機系統在數百米甚至上萬米的遠距離物理獨立。 四、應用案例 Spring Kernel——馬薩諸塞大學計算機科學系開發的一個最新型的操作系統——的目的是為必須嚴格遵守時間限制的實時計算應用提供支持。照此，為了滿足非常可預測和動態的實時應用的需求，Spring Kernel操作系統設計了兩個主要組成部分——開發環境（系統在這里描述，預處理，并且下載）和運行時環境（在這里Spring Kernel操作系統保證任務可預測地執行）。 Spring Kernel操作系統的優勢在于全面的任務調度方法，以及它對可預測性和靈活性的支持。Spring Kernel操作系統任務調度方法包含“一次保證，總是保證”策略適合嚴格的時間/資源需求或那些一旦啟動就不能撤銷的操作，加上“最大努力”方案，可以動態的創建進度表以便最大化系統效率。 Spring Kernel操作系統也使用設計者和程序員提供的語義信息，以及像編譯程序那樣的系統工具生成的信息，適應獨特的運行時狀態。這種靈活性服從建立的調度規則和算法，以便就在系統適應時維持可預測性。 計算機科學系實時小組最初開發Spring Kernel操作系統是為了控制多處理器Spring節點內的多個處理器的計算活動。但是，系統開發最終到達一非常精致的水平，使得系里決定將它從實驗室推向應用領域。把它用于另一個學科——柔性制造——的控制需求（采用集散控制系統的原理與架構）。 作為計算機科學系自治實時系統的中心的一部分，柔性制造試驗床包含機器人、顯示、和人工智能（AI）子系統已經開發出來。在這平臺內，對象被非確定性地安置在隊列里，等待處理。當處理進程請求對象時，Spring Kernel操作系統基于各種規則控制它們從在隊列中排除，并將它們放在交付平臺。一旦在平臺上，就可以保證了對象的會合時間和交付要求。 早在試驗床設計過程中，設計人員就很明白Spring Kernel操作系統需要有一個高級的系統控制，以便控制試驗床的計算機制和Spring節點之外的機器人和顯示的處理操作。試驗床需要Spring Kernel操作系統與其它分散部件互聯，使得Spring Kernel操作系統與這些分散部件之間在一個時間框架內可靠地通信，以便保證系統活動的可預測性。 因為系統中的商業化的機器人和顯示子系統已經是深度開發而且高效，試驗床的設計者決定選擇的連接各子系統的互連方法不需要重新實現這些模塊。挑戰變成為找到一種互連方法，這種方法可以將各外部子系統非常簡便而且高性能的連接起來，這種高性能是Spring Kernel操作系統的調度器控制子系統的時間屬性所必需的。 設計者研究了若干種互連方案，包括TCP/IP解決辦法，但是沒有一個具備所需要的那些能力的。最后，他們研究了反射存儲網絡，并且在不久之后就決定不再尋找其他方案。 反射存儲網絡基于復制共享存儲器方法，在網絡的每個節點上放置計算機可尋址的存儲器——被稱為反射存儲器卡，每個計算機節點的復制共享存儲器的任何修改都會通過光纖在微秒級別的時間內被發送到網絡上所有的復制共享存儲器。反射存儲器專門為實時服務所構件，可以為柔性制造系統試驗床提供所需的可預測的、分布的、高速的性能。 反射存儲網絡創新性的架構允許試驗床設計者定義和實現連接所有子系統的遠程接口。子系統互連是非常高效的。只要子系統符合接口要求，它就可以被集成到網絡中。從一種操作系統的觀點，反射存儲網絡使得實現處理系統之間的通信協議非常簡單。一旦完全實現，反射存儲網絡的包數據加上它的無碰撞性能很容易滿足Spring Kernel操作系統的調度程序的控制需求。 使用反射存儲網絡作為中樞組成部分，設計者能建立集散控制系統的基礎，它不僅適合當前的柔性制造試驗床的需要，而且可以根據馬薩諸塞大學計算機科學系計劃在更廣泛的工業應用領域的柔性制造系統中實現Spring Kernel操作系統的需要，不斷地“與那些系統一起增長”。 |
