反射存储网络在指令与控制中的应用

一、集散控制系统概述

集散控制系统（DCS，Distributed Control System）是集计算机技术、控制技术和网络技术为一体的高新技术产品，具有控制功能强、操作简便和可靠性高等特点，可以方便地用于工业装置的生产控制和经营管理，在航空、化工、电力、冶金等工业自动化领域的应用已经十分普及。近20多年来，由于微电子技术和计算机技术的飞速发展以及工业自动化要求的逐步提高，集散控制系统经历了几个阶段的发展过程，结构日臻完善，技术更加成熟，已经成为生产自动化不可缺少的自控装置。特别是90年代，集散控制系统的硬件方面广泛采用技术指标更先进的高档工业PC，有的甚至采用了RISC工作站，软件方面引入了通用的商业化软件包，系统互连方面采用国际标准的通用网络，逐步向信息集成的方向发展。   

集散控制系统虽然经历了几个阶段的发展过程，但其系统硬件结构始终保留着集中管理（包括操作站、工程师站和上位机）、监视控制和网络通信三大部分，并以实现分散控制和集中管理功能为目标。   

监视控制站包括三个方面的功能：现场检测模拟量、数字量和脉冲量的输入输出并进行转换处理；各种控制回路的运算(调节回路、逻辑运算等)；控制运算结果的直接输出。   

工程师站负责系统的管理、控制组态、系统生成与下装。  

操作站是人机接口，由微处理器、CRT显示器、键盘和打印机等组成，用于生产工艺的控制操作、过程状态显示、报警状态显示以及实时数据和历史数据显示打印等。上位机实现生产调度管理、优化计算、生产经营管理与决策等层次的管理和计算。   

网络通信部分负责各种功能站之间的数据通信和联络。集散控制系统网络正在逐步走向开放。集散控制系统厂家也纷纷采用通用标准网络，以便于不同厂家的产品相互连接和通信。   

随着集散控制系统微处理器通用化和通信网络标准化，现在的集散控制系统更便于实现与各种PC机、PLC和大型计算机的联网通信，也就更加便于组成企业自动化综合控制并将其纳入生产经营管理系统。集散控制系统向开放性发展，要求各个制造厂的产品符合标准网络通信协议，可以相互连接、相互通信并进行数据交换，应用软件也可以互通有无，从而大大方便了用户。   

二、集散控制系统对实时通信的挑战   

网络的标准化促进了集散控制系统的开放性。网络技术这几年有了突飞猛进的发展，集散控制系统的对内对外通信技术也在迅速发展，原有专用网络被废除，系统内部的控制站和操作站均采用令牌环网、以太网或FDDI网络产品。因此集散控制系统产品只要符合这些标准，就可以互相交换信息，也就是说它们在这个层次上具备了开放性。   

但是在一些实时性要求非常高的应用中，传统的网络方法就不能使用。在这些实时应用中必须考虑如下的需求：  

●确定性 集散控制系统中，为另一个应用程序使用的数据必须很容易地在指定的和可预见的时间内准时获得，而且在系统运行期间的任何时候都必须做到这一点。可预知数据流的需求给网络协议的确定性设定了一个刚性的要求，确定性对于大多数基于OSI七层协议模型兼容网络是不可能做到的。   
●延迟 对于实时数据传输而言，运行在一个计算机系统上应用将其输出的数据作为运行在另一个计算机系统上的另一个应用的数据输入的时间具有重大的时效意义。不幸的是对于实时系统的架构，在今天的市场上的大多数网络的目标是数据处理。它们的数据处理设计目标是带宽最大化。他们被设计用来实现带宽效率最大化，而在传输延迟最小化方面很少受到关注；   
●小数据包的通信效率 在集散控制系统中，每个数据包都不是很大，但是传统的网络对小数据包的传输效率远远低于对大数据包的传输速率；  
●可靠性 很多集散控制系统需要绝对的数据完整。不能容忍数据差错；如果一个错误出现，它必须立即被改正。环状拓扑能实现可靠的差错检测与纠正设计。很多差错检测和纠正方法可以各种网络拓扑下实现，但是没有一个如环状网络那么坚固和易于实现源消除和数据比较。   
●跨平台支持 集散控制系统往往由大量的不兼容的处理系统组成，有的是工业控制PC，有的是SUN/SGI工作站，有的又使用迁入式系统。因此，网络通信模块要能够对不同平台的系统进行支持。   

三、解决方案与优势   

反射存储网络融合了复制共享存储器设计和环状网络拓扑结构的优点，专门为实时系统设计。环状拓扑比总线或者星形拓扑更适合反射存储网络，因为它提供的网络特征增强了实时网络性能。它具有如下优势：   

●可预测的确定性性能；   
●最小的传输延迟；   
●小数据包的通信效率；   
●透明性无需加载软件完成数据通信；   
●快速的系统重配置；   
●快速错误恢复；   
●可扩展性，允许集成不同厂商的系统硬件，允许大量的计算机系统连接；   
●允许计算机系统在数百米甚至上万米的远距离物理独立。