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一、集散控制系統(tǒng)概述 集散控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)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(yè)裝置的生產(chǎn)控制和經(jīng)營管理，在航空、化工、電力、冶金等工業(yè)自動化領(lǐng)域的應用已經(jīng)十分普及。近20多年來，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及工業(yè)自動化要求的逐步提高，集散控制系統(tǒng)經(jīng)歷了幾個階段的發(fā)展過程，結(jié)構(gòu)日臻完善，技術(shù)更加成熟，已經(jīng)成為生產(chǎn)自動化不可缺少的自控裝置。特別是90年代，集散控制系統(tǒng)的硬件方面廣泛采用技術(shù)指標更先進的高檔工業(yè)PC，有的甚至采用了RISC工作站，軟件方面引入了通用的商業(yè)化軟件包，系統(tǒng)互連方面采用國際標準的通用網(wǎng)絡，逐步向信息集成的方向發(fā)展。 集散控制系統(tǒng)雖然經(jīng)歷了幾個階段的發(fā)展過程，但其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)始終保留著集中管理（包括操作站、工程師站和上位機）、監(jiān)視控制和網(wǎng)絡通信三大部分，并以實現(xiàn)分散控制和集中管理功能為目標。 監(jiān)視控制站包括三個方面的功能：現(xiàn)場檢測模擬量、數(shù)字量和脈沖量的輸入輸出并進行轉(zhuǎn)換處理；各種控制回路的運算(調(diào)節(jié)回路、邏輯運算等)；控制運算結(jié)果的直接輸出。 工程師站負責系統(tǒng)的管理、控制組態(tài)、系統(tǒng)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(chǎn)工藝的控制操作、過程狀態(tài)顯示、報警狀態(tài)顯示以及實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)顯示打印等。上位機實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度管理、優(yōu)化計算、生產(chǎn)經(jīng)營管理與決策等層次的管理和計算。 網(wǎng)絡通信部分負責各種功能站之間的數(shù)據(jù)通信和聯(lián)絡。集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡正在逐步走向開放。集散控制系統(tǒng)廠家也紛紛采用通用標準網(wǎng)絡，以便于不同廠家的產(chǎn)品相互連接和通信。 隨著集散控制系統(tǒng)微處理器通用化和通信網(wǎng)絡標準化，現(xiàn)在的集散控制系統(tǒng)更便于實現(xiàn)與各種PC機、PLC和大型計算機的聯(lián)網(wǎng)通信，也就更加便于組成企業(yè)自動化綜合控制并將其納入生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)向開放性發(fā)展，要求各個制造廠的產(chǎn)品符合標準網(wǎng)絡通信協(xié)議，可以相互連接、相互通信并進行數(shù)據(jù)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(tǒng)對實時通信的挑戰(zhàn) 網(wǎng)絡的標準化促進了集散控制系統(tǒng)的開放性。網(wǎng)絡技術(shù)這幾年有了突飛猛進的發(fā)展，集散控制系統(tǒng)的對內(nèi)對外通信技術(shù)也在迅速發(fā)展，原有專用網(wǎng)絡被廢除，系統(tǒng)內(nèi)部的控制站和操作站均采用令牌環(huán)網(wǎng)、以太網(wǎng)或FDDI網(wǎng)絡產(chǎn)品。因此集散控制系統(tǒng)產(chǎn)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(tǒng)的網(wǎng)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(tǒng)中，為另一個應用程序使用的數(shù)據(jù)必須很容易地在指定的和可預見的時間內(nèi)準時獲得，而且在系統(tǒng)運行期間的任何時候都必須做到這一點。可預知數(shù)據(jù)流的需求給網(wǎng)絡協(xié)議的確定性設定了一個剛性的要求，確定性對于大多數(shù)基于OSI七層協(xié)議模型兼容網(wǎng)絡是不可能做到的。 ●延遲 對于實時數(shù)據(jù)傳輸而言，運行在一個計算機系統(tǒng)上應用將其輸出的數(shù)據(jù)作為運行在另一個計算機系統(tǒng)上的另一個應用的數(shù)據(jù)輸入的時間具有重大的時效意義。不幸的是對于實時系統(tǒng)的架構(gòu)，在今天的市場上的大多數(shù)網(wǎng)絡的目標是數(shù)據(jù)處理。它們的數(shù)據(jù)處理設計目標是帶寬最大化。他們被設計用來實現(xiàn)帶寬效率最大化，而在傳輸延遲最小化方面很少受到關(guān)注； ●小數(shù)據(jù)包的通信效率 在集散控制系統(tǒng)中，每個數(shù)據(jù)包都不是很大，但是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡對小數(shù)據(jù)包的傳輸效率遠遠低于對大數(shù)據(jù)包的傳輸速率； ●可靠性 很多集散控制系統(tǒng)需要絕對的數(shù)據(jù)完整。不能容忍數(shù)據(jù)差錯；如果一個錯誤出現(xiàn)，它必須立即被改正。環(huán)狀拓撲能實現(xiàn)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(wǎng)絡拓撲下實現(xiàn)，但是沒有一個如環(huán)狀網(wǎng)絡那么堅固和易于實現(xiàn)源消除和數(shù)據(jù)比較。 ●跨平臺支持 集散控制系統(tǒng)往往由大量的不兼容的處理系統(tǒng)組成，有的是工業(yè)控制PC，有的是SUN/SGI工作站，有的又使用遷入式系統(tǒng)。因此，網(wǎng)絡通信模塊要能夠?qū)Σ煌脚_的系統(tǒng)進行支持。 三、解決方案與優(yōu)勢 反射存儲網(wǎng)絡融合了復制共享存儲器設計和環(huán)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，專門為實時系統(tǒng)設計。環(huán)狀拓撲比總線或者星形拓撲更適合反射存儲網(wǎng)絡，因為它提供的網(wǎng)絡特征增強了實時網(wǎng)絡性能。它具有如下優(yōu)勢： ●可預測的確定性性能； ●最小的傳輸延遲； ●小數(shù)據(jù)包的通信效率； ●透明性無需加載軟件完成數(shù)據(jù)通信； ●快速的系統(tǒng)重配置； ●快速錯誤恢復； ●可擴展性，允許集成不同廠商的系統(tǒng)硬件，允許大量的計算機系統(tǒng)連接； ●允許計算機系統(tǒng)在數(shù)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(fā)的一個最新型的操作系統(tǒng)——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(tài)的實時應用的需求，Spring Kernel操作系統(tǒng)設計了兩個主要組成部分——開發(fā)環(huán)境（系統(tǒng)在這里描述，預處理，并且下載）和運行時環(huán)境（在這里Spring Kernel操作系統(tǒng)保證任務可預測地執(zhí)行）。 Spring Kernel操作系統(tǒng)的優(yōu)勢在于全面的任務調(diào)度方法，以及它對可預測性和靈活性的支持。Spring Kernel操作系統(tǒng)任務調(diào)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(tài)的創(chuàng)建進度表以便最大化系統(tǒng)效率。 Spring Kernel操作系統(tǒng)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(tǒng)工具生成的信息，適應獨特的運行時狀態(tài)。這種靈活性服從建立的調(diào)度規(guī)則和算法，以便就在系統(tǒng)適應時維持可預測性。 計算機科學系實時小組最初開發(fā)Spring Kernel操作系統(tǒng)是為了控制多處理器Spring節(jié)點內(nèi)的多個處理器的計算活動。但是，系統(tǒng)開發(fā)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(lǐng)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(tǒng)的原理與架構(gòu)）。 作為計算機科學系自治實時系統(tǒng)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(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來。在這平臺內(nèi)，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(tǒng)基于各種規(guī)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(tǒng)需要有一個高級的系統(tǒng)控制，以便控制試驗床的計算機制和Spring節(jié)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(tǒng)與其它分散部件互聯(lián)，使得Spring Kernel操作系統(tǒng)與這些分散部件之間在一個時間框架內(nèi)可靠地通信，以便保證系統(tǒng)活動的可預測性。 因為系統(tǒng)中的商業(yè)化的機器人和顯示子系統(tǒng)已經(jīng)是深度開發(fā)而且高效，試驗床的設計者決定選擇的連接各子系統(tǒng)的互連方法不需要重新實現(xiàn)這些模塊。挑戰(zhàn)變成為找到一種互連方法，這種方法可以將各外部子系統(tǒng)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(tǒng)的調(diào)度器控制子系統(tǒng)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(wǎng)絡，并且在不久之后就決定不再尋找其他方案。 反射存儲網(wǎng)絡基于復制共享存儲器方法，在網(wǎng)絡的每個節(jié)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(jié)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(nèi)被發(fā)送到網(wǎng)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(gòu)件，可以為柔性制造系統(tǒng)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(wǎng)絡創(chuàng)新性的架構(gòu)允許試驗床設計者定義和實現(xiàn)連接所有子系統(tǒng)的遠程接口。子系統(tǒng)互連是非常高效的。只要子系統(tǒng)符合接口要求，它就可以被集成到網(wǎng)絡中。從一種操作系統(tǒng)的觀點，反射存儲網(wǎng)絡使得實現(xiàn)處理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議非常簡單。一旦完全實現(xiàn)，反射存儲網(wǎng)絡的包數(shù)據(jù)加上它的無碰撞性能很容易滿足Spring Kernel操作系統(tǒng)的調(diào)度程序的控制需求。 使用反射存儲網(wǎng)絡作為中樞組成部分，設計者能建立集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它不僅適合當前的柔性制造試驗床的需要，而且可以根據(jù)馬薩諸塞大學計算機科學系計劃在更廣泛的工業(yè)應用領(lǐng)域的柔性制造系統(tǒng)中實現(xiàn)Spring Kernel操作系統(tǒng)的需要，不斷地“與那些系統(tǒng)一起增長”。 |
