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。

      四、应用案例

      Spring Kernel——马萨诸塞大学计算机科学系开发的一个最新型的操作系统——的目的是为必须严格遵守时间限制的实时计算应用提供支持。照此，为了满足非常可预测和动态的实时应用的需求，Spring Kernel操作系统设计了两个主要组成部分——开发环境（系统在这里描述，预处理，并且下载）和运行时环境（在这里Spring Kernel操作系统保证任务可预测地执行）。

      Spring Kernel操作系统的优势在于全面的任务调度方法，以及它对可预测性和灵活性的支持。Spring Kernel操作系统任务调度方法包含“一次保证，总是保证”策略适合严格的时间/资源需求或那些一旦启动就不能撤销的操作，加上“最大努力”方案，可以动态的创建进度表以便最大化系统效率。

      Spring Kernel操作系统也使用设计者和程序员提供的语义信息，以及像编译程序那样的系统工具生成的信息，适应独特的运行时状态。这种灵活性服从建立的调度规则和算法，以便就在系统适应时维持可预测性。

      计算机科学系实时小组最初开发Spring Kernel操作系统是为了控制多处理器Spring节点内的多个处理器的计算活动。但是，系统开发最终到达一非常精致的水平，使得系里决定将它从实验室推向应用领域。把它用于另一个学科——柔性制造——的控制需求（采用集散控制系统的原理与架构）。

      作为计算机科学系自治实时系统的中心的一部分，柔性制造试验床包含机器人、显示、和人工智能（AI）子系统已经开发出来。在这平台内，对象被非确定性地安置在队列里，等待处理。当处理进程请求对象时，Spring Kernel操作系统基于各种规则控制它们从在队列中排除，并将它们放在交付平台。一旦在平台上，就可以保证了对象的会合时间和交付要求。

      早在试验床设计过程中，设计人员就很明白Spring Kernel操作系统需要有一个高级的系统控制，以便控制试验床的计算机制和Spring节点之外的机器人和显示的处理操作。试验床需要Spring Kernel操作系统与其它分散部件互联，使得Spring Kernel操作系统与这些分散部件之间在一个时间框架内可靠地通信，以便保证系统活动的可预测性。

      因为系统中的商业化的机器人和显示子系统已经是深度开发而且高效，试验床的设计者决定选择的连接各子系统的互连方法不需要重新实现这些模块。挑战变成为找到一种互连方法，这种方法可以将各外部子系统非常简便而且高性能的连接起来，这种高性能是Spring Kernel操作系统的调度器控制子系统的时间属性所必需的。

      设计者研究了若干种互连方案，包括TCP/IP解决办法，但是没有一个具备所需要的那些能力的。最后，他们研究了反射存储网络，并且在不久之后就决定不再寻找其他方案。

      反射存储网络基于复制共享存储器方法，在网络的每个节点上放置计算机可寻址的存储器——被称为反射存储器卡，每个计算机节点的复制共享存储器的任何修改都会通过光纤在微秒级别的时间内被发送到网络上所有的复制共享存储器。反射存储器专门为实时服务所构件，可以为柔性制造系统试验床提供所需的可预测的、分布的、高速的性能。

      反射存储网络创新性的架构允许试验床设计者定义和实现连接所有子系统的远程接口。子系统互连是非常高效的。只要子系统符合接口要求，它就可以被集成到网络中。从一种操作系统的观点，反射存储网络使得实现处理系统之间的通信协议非常简单。一旦完全实现，反射存储网络的包数据加上它的无碰撞性能很容易满足Spring Kernel操作系统的调度程序的控制需求。

      使用反射存储网络作为中枢组成部分，设计者能建立集散控制系统的基础，它不仅适合当前的柔性制造试验床的需要，而且可以根据马萨诸塞大学计算机科学系计划在更广泛的工业应用领域的柔性制造系统中实现Spring Kernel操作系统的需要，不断地“与那些系统一起增长”。