一、概述
　　
　　为过程控制系统建立通信网络的首要目标是，保持在所有条件下系统通信的完整性。在发电厂中，这类网络显得尤为重要。统治DCS分散控制系统应用设计的保守要求，总是规定连接控制器和分散处理装置的通信网络必须采用与数据处理和管理系统网络不同的标准。
　　
　　DCS通信网络的设计要求可归纳为:
　　
　　●可用性:所有网络必须冗余并能无扰动地自动切换，不允许单点故障影响整个系统的正常工作。
　　
　　●高速:快速的响应，没有延迟，等待时间zui短。
　　
　　●不受限制的访问:站点可以在任何时间接入，不需要通行管理器。
　　
　　●信息通行量大:系统能使网络交通zui小化，但在大量数据通行的扰动条件下能够充分利用富裕的带宽。
　　
　　●自诊断;对所有传输均需进行信息检查。
　　
　　●扩展能力:在网络上增加站点应当简便，即使对于下一代的型号也是如此。
　　
　　●能在苛刻的条件下工作:不受因长距离传输引入的电噪声的干扰。
　　
　　二、常见的DCS通信网络
　　
　　1.令牌环网
　　
　　大部分分散控制系统采用基于不同标准的令牌环网(TokenRing)来保证高可靠性以及站点的访问。图1解释了令牌环网的工作原埋。一个特定站点发出一个的"令牌"信息，该令牌在网络上按一个特定的次序循环，旋转的次序不必一定与站点在网络上的物理位置一致。每个站点持有令牌的时间是的和受控制的。同样，也可以一些站点比其它站点更多地得到令牌，但zui重要的是循环受到控制并且周而复始。这类系统被称为"确定性的"。　　当令牌在一个站点停留时，该站点能够收发信息。一些系统中，站点取得令牌时只是请求信息，这些系统中另一个被查询的站点立即响应该请求，当然这是在分配给持有令牌并发出请求的站点的时间段内。如果在这一时间段里该站点未能完成处理，它必须等到下一次循环才能继续。
　　
　　网络总是冗余的和同时工作的，可以是双绞线对、同轴电缆或光缆，或其组合。冗余的逆向旋转环网的主要优点，是能够在多处中断的情况下继续工作。令牌网也可以是多站点的总线型网络结构。
　　
　　这类系统中的站点报告有许多不同的方法，包括查询响应、广播、例外报告等，都各有优点和缺点。围绕这个题目的文献也非常丰富，阐述也非常透彻，这里无需详述。
　　
　　2.以太网
　　
　　某些场合的网络是多层的，各有自己的通信标准。zui底层(控制器驻留在此)可以基于上述的一种令牌传递模式，是非常可靠和确定的，但通常采用的协议。较高层有时也称作操作层网络(即工作站网络)，可以基于一种工业标准例如以太网，冗余并采用更开放的协议。也可有第三层，这是非冗余的，是专为信息管理系统的应用设计的。
　　
　　以太网和其它基于CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)的协议在这类应用中有局限性。这些网络很容易被淹没，除非采取一定的措施，例如限制站点数目、将站点隔离成域等等。
　　
　　以太网zui大的优点在于这是一个真正民主的系统!这可以用图2来简单的解释。网络上的任何站点可以在任何时间访问网络(有时也被称作"广播")，传送一个信息或侦听任何传输。对站点没有规定的次序和时间的限制，也没有令牌传递系统固有的等待周期。然而，在多个站点同时试图访问总线(即"冲突")或一个站点独占总线较长时间的情况下，这个优点就可能成为一个大的缺点。　　当一个站点侦听到冲突时，所有站点停止传输，并等待一个随机的时间后重试传输。如果下次尝试仍侦听到冲突，有关的站点再次后退，等待更长的时间再进行重试。站点等待的时间呈指数型增加。因此，这种方法也被称作"指数型后退"。在活动量高的周期中，网络使用率急剧增大，就有可能造成系统更新的延迟。早期的以太网就是这种情况，其运行速度很低(zui初是3Mbps，然后是lOMbps，现在是1OOMbps)。载波速度的提高大大降低了潜在的滞后。尽管如此，控制系统行业仍对以太网作为分散控制系统的主干网心存疑虑。
　　
　　集线器(Hub)的应用增强了以太网系统，它能够隔离站点，排除了菊花链连接。图3是用一个集线器构成的一个简单的星型网络。在这种系统中，一个坏的站点不会影响网络，可以很容易地将单个站点与网络隔离，但一次仍然只允许一个会话(所有站点都听全部的其它站点)，冲突仍可能发生并影响网络的负荷。　　以太网寻址简便，容易被驻留在以太网上层的高层协议接受。
　　
　　●MAC地址:
　　
　　每个以太网卡有一个*的(MAC)地址，这是用16进制表示的48位2进制数，通常分成6段，每个站点有两个相同的网卡作冗余;
　　
　　MAC地址嵌入每条以太网信息中;
　　
　　例子:00-2O-A5-33-5D-17。
　　
　　●IP地址:
　　
　　以太网之上的高层协议(TCP/IP);
　　
　　嵌入以太网帧数据;
　　
　　例子:10.23.55.16;
　　
　　每个站点赋予一个不同的IP地址;
　　
　　每个站点网络A和网络B的IP地址只是网络号不同。例如:#12操作员站在网络A的地址为2.99.99.22,#12操作员站在网络B的地址为3.99.99.22。
　　
　　以太网是世界上zui广泛使用的局域网，得到众多供应商的支持，它已经成为许多应用的工业标准。现在，采用工业标准硬件和软件在基于In的平台上运行微软Windows的局域网，显示出比先前采用昂贵的基于RISC的工作站运行UNIX实现的局域网有更大的优势，能够满足分散控制系统的需求。
　　
　　3.快速以太网
　　
　　快速以太网基于传统的以太网，但速度提高了10倍。它的速率是1OOMbps，并基于熟悉的CSMA/CD标准，可与低速的l0BasedT网络并存，网络互连不需要协议转换，使用相同的媒介(同轴电缆，铜缆或光缆)。
　　
　　尽管有了较高的速率和随之而来的带宽，令牌传递模式固有的缺点仍然没有消除，例如
　　
　　FDDI/CDDI。在更多站点加入后，FDDI系统的性能不会降低，在90%带宽被使用的情况下仍能维持工作。但网络设计者在设计快速以太网系统时，必须保证有足够的额外能力来应付将来网络的扩展和扰动的工况，这能够迅速将网络推到其zui大能力。因此，快速以太网的带宽利用通常不能超过正常工况的30-40%。
　　
　　4.交换式快速以太网
　　
　　用智能交换机进一步增强以太网，从而提供了比FDDI等令牌传递系统更佳的性能，保证所有站点对网络的多道同时的访问。这种变化被称为交换式快速以太网(SwitchedFastEthernet)。
　　
　　交换机(Switch)是如何工作的呢?
　　
　　●查看MAC目的地址;
　　
　　●存储并以"网速"转发信息到合适的瑞口；
　　
　　●在工作过程中收听并学习整个数据库；
　　
　　●交换机并不理解其传输的信息，只要能确定信息中的目的地址就足够了;
　　
　　●交换机是一种低成本的装置，只有FDDI节点设备一半的价格。
　　
　　网络各处使用的智能交换机构成了交换式快速以太网的主干。zui简单的是一个星型结构，但多数是在几处布置多个冗余的交换机对。每个站点直接连接到一台交换机。各站点不像多站点系统那样共享一条总线，一台交换机可以直接连接多达十个不同的站点。主干网将大范围内的交换机连接到一起，其媒介可以是双绞线对、同轴电缆或光缆，并总是冗余的。图4是这种智能交换机网络及其支持多道同时通信的简单例子。　　交换式快速以太网的主要优点如下:
　　
　　●提供双向同时通信，因而带宽加倍可达200MBPS，通行量有效翻倍。
　　
　　●交换机支持多道同时通信，从而两对以上的站点可以同时相互寻址。这个性能是由交换机的总线仲裁模式保证的，而总线仲裁又是由每一时刻的活动决定的。交换机保证了站点之间两个方向上同时的交通。
　　
　　●由于没有冲突，冲突侦听就没有必要了。交通是停止的。交换机会阻止独占一个节点的站。交换机产生了通过节点的传输率的"网速"。
　　
　　●可以将l0Mbps链接到100Mbps网络。
　　
　　●增加了网络的物理规模。
　　
　　●允许任何时刻的访问。交换式快速以太网是一个民主系统，没有一个决定何时可以访问网络的固定模式。因此，交换式快速以太网没有FDDI那种明显的等待周期。测试证明，端口能够保证1OOMBPS的数据通行量。
　　
　　●容错性。交换式快速以太网和FDDI都是冗余系统，都能在瞬间切换到后备系统。然而，交换式快速以太网能够交错连接站点提供不同的通信路径，FDDI则做不到这一点。
　　
　　●交换机具有诊断功能，可以检测网络中故障或中断的部分。
　　
　　三、交换式快速以太网在DCS中的应用
　　
　　美卓自动化公司提供的maxDNA分散控制系统的通信系统采用交换式快速以太网。电厂中各种功能的子系统均可以通过主干网maxNET连接。1OOMbps主干网是全双工的，所有站点(maxSTATION工作站及DPU)通过各自冗余的全双工5类UTPRJ45电缆直接连接到安装在I/0柜中的冗余的以太网交换机，而不与其它的DPU共享这一链接。交换机之间则采用冗余的光缆连接。图5是maxDNA的网络结构。所有接口、连接、交换机都是冗余的，为了简化起见，图上未表示其连接的细节。　　每个maxSTATION工作站有两个以太网卡，一个用于A网络，另一个用于B网络。每个网卡有一个*的媒介访问控制(MAC)地址，该MAC地址嵌入每一个以太网信息。高层协议(TCP/IP)在以太网的顶层。互联网协议(IP)嵌入一个以太网帧数据部分，每个站有一个不同的IP地址，由交换机。在这种结构下，网络的物理规模(即站点数)可以不受限制地扩大。
　　
　　为了传送数据，交换机检查MAC目的地址，在适当的端口存储并转发信息到正确的站点。这是一种自学习(听与学)的装置，也是一种即插即用设备。交换机并不理解传送的信息，而只需要从信息中决定目的地址。
　　
　　由于交换机知道网络的分布，它仅向正确的端口转发信息，因此通过交换机便可进行多路同时会话。任何一对站点可以对话而不会被其它站点听到，也不会因对话而形成对其它站点的干扰。
　　
　　maxNET采用工业标准的硬件(交换机)和软件(TCP/IP)。工作站基于英特尔硬件并运行WindowsXP，DPU亦基于英特尔硬件。这意味着，用户可以在网络及工作站设备和软件主要供应商的产品升级后获得增强系统性能的好处。
　　
　　交换式快速以太网系统的另一个主要优点是，每次传输都有一条备用的通路。图6解释了备用通路的概念。需要时，工作站自动选择备用通路。实际上，每次新的传输都会改变通路，这使系统得以在多处故障的关头存活。　　四、总结
　　
　　交换式快速以太网为令牌传递系统如FDDI/CDDI提供了经济有效的替代方案。它对网络的访问没有令牌传递系统固有的等待周期，具有比其它任何网络都高的带宽——200Mbps，能够全双工工作。采用智能交换机使网络更灵活，并允许多个通信路径，以及多个站点的同时通信。
　　
　　交换式快速以太网采用标准的硬件和软件，因而容易与其它系统和网络接口。同时，它能够充分利用设备供应商将来的增强和改进，从而保证平稳升级的途径。