谈谈分布式系统.docx

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1、谈谈分布式系统lihan导语：随着电子技术、通讯技术和软件技术的开展，分布式系统也发生了很大的变化，下面就这个题目进展一些讨论。当今的冶金、石化、化工、电力、水泥、汽车、制药、食品与饮料等工业的自动化系统，几乎毫无例外的采用分布式控制系统。随着电子技术、通讯技术和软件技术的开展，分布式系统也发生了很大的变化，下面就这个题目进展一些讨论。集中式系统早期的仪表控制系统和电气控制系统都是集中式的，原因是工业化大规模消费线还未形成，控制的物理面积比拟小，所以没有这种需求。设备的控制都是独立的，控制系统都安装在设备附近，输入/输出的走线间隔，通常不会超过二十米，而且设备与设备之间、设备与车间/厂级之间也

2、没有通讯要求，设备与操纵人员通过按钮、指示灯来进展交互，功能比拟简单，设备的加工和制造的产品，属于“大批量，少品种的状态。因此，自动化的控制程度处于初级阶段。分布式系统输入/输出系统随着流水线、自动线、消费线的开展和扩大，对自动化控制系统的要求也随之进步。由于原来的输入、输出的走线间隔为十几米、几十米，后来的要求进步到上百米，甚至几百米，所以带来的问题有两个：一是输入、输出的间隔过远，信号衰减过大，导致了误动作，甚至无法工作如今的接线间隔通常限制在四百米以内；二是输入、输出线都采用并行接法，随着间隔的增加，电缆的费用也不断增加，而且给后来的校线、调试、运行和维护都带来问题，所以使得工程的整体拥

3、有本钱TOC大大的进步了。为解析决上述问题，自动化制造厂家推出了构造称为远程输入/输出系统RemoteInput/OutputSystem，它的特点是CPU机架与输入/输出模块输入/输出机架先进展物理上的别离，也就是用于远程输入/输出点的输入/输出模块不再安装于本地机架，而是安装于远程机架。本地机架与远程机架采用远程通讯电缆来连接，远程机架的输入/输出模块再连接四周的输入/输出点。这样就把原先的并行电缆，改变成如今的串行电缆远程电缆，减少了接线本钱。理论上讲，把并行连接改为串行连接，系统的可靠性是下降了，这也是构造变化所要付出的代价吧我们要知道，这种构造上的变化是有技术含量的。由于远程输入模块

4、在了输入信号后，要经过处理，先把它们转换成数字信号，再把它们变成一种数据帧，常被称之为某种特定的“协议，具有规定的格式，然后经过远程分站模块、远程通讯电缆，到远程主站模块，传送到CPU站进展处理，处理后的结果再经过远程主站模块、远程电缆，传回给远程分站模块，经“翻译后，由远程站上的输出模块输出给执行机构。我们即得益于远程系统，也受制于远程系统。远程系统中的远程主站模块、远程电缆、远程分站模块成了整个系统的软肋，所以要格外重视。我们考虑问题的原那么是：担忧哪局部弱，轻易出问题，就加强哪局部的实力。比方讲：担忧远程主站出问题，我们就对主站模块做冗余；担忧电缆出问题，就对电缆进展冗余；担忧分站出问题

5、，就对分站模块冗余。应该讲这种系统都是可以实现的，考虑到系统的造价问题，很多厂家采取了折衷的方案：远程主站、远程分站各为一个模块，但有单口和双口之分，用于连接一根或者两根远程电缆，实现了电缆冗余。冗余的电缆也有不同的工作方式，无外乎有以下几种方式：两缆同时工作，把信号比拟后，再进展输出；两缆同时工作，仅取一个信号进展输出；两缆一用一备，直到用的一根出了问题，才进展切换；两缆一用一备，按时间间隔进展切换。用与备的切换完全由系统控制，自动进展，用户一般无需任何操纵。至于厂家采用哪种方式，即要考虑实现的技术难度，也要考虑实现的贸易本钱。各自都有各自的道理，这就是一种选择吧，也是一种差异化竞争。总之，

6、对于用户而言，双缆总是比单缆要可靠性高，心里觉着塌实。以上谈的是硬件局部，下面再讲讲软件局部。由于工业现场的环境比拟恶劣，比方：灰尘、震动、冲击、电压波动等，最大影响就是来自现场的大设备，如：大电机的启动和停顿，会带来一系列的连锁反响：接触器的吸合与断开，软驱动器启动和停顿，变频器的运行和停顿。还有一些高压、中压开关柜的运行等，都带有很强的电气干扰和电磁辐射。而它们通常也都与自动化系统的控制柜放在一起，而它们非常轻易对低电平的通讯信号产生影响。因此，抗干扰就成了工业通讯要解决的首要难题。为解析决现场的干扰问题，除了在物理上要采用带屏蔽的电缆、屏蔽线单端接地、信号线两端加接终端电阻、动力线与信号

7、线分开布线或保持一定的间隔、自动化系统与其他系统分开接地外，还要在通讯的协议上下功夫。前面提到：远程协议都有规定的帧格式，而其中的一局部就是要对传送数据的周期性进展检验，确保传输的经过准确无误，这局部内容被称为FCSFrameCheckSequence帧检测序列，它是一种检测算法，专门用于通讯数据的检查。常用的算法有两种：循环冗余码校验CRC：CyclicRedundancyCheck，和纵向冗余码校验LRC：LongitudinalRedundancyCheck，有8位、16位和32位之分，位数越多，校验才能就越强。校验的根本原理是：发送数据之前，在发送端系统要对传送的数据帧中的数据进展计算

8、，比方CRC的运算，把得出的结果放在FCS段，使之成为一个数据帧进展传送；数据经过传送，并被目的站接收后，在接收站对接收数据帧的数据进展运算，当然是和出发时的一样运算，得出的结果再和接收数据帧中的FCS内容进展比拟，假如一致那么讲明传输无误，这一帧的传送任务完成，进展下一步的工作；假如不一致，那么讲明传输有误，告诉传送源恳求数据重发。发送端通常会有一个重发的次数限制，比方3次，假如连续发生错误就讲明线路有严重故障，甚至已经断开，系统会停顿再试，马上向CPU和上位机操纵员报警。集散控制系统在经过控制行业，也称为仪表控制行业，也从分立的仪表控制开展到了集成的控制系统，被称之为dcsDistribu

9、tedControlSystem系统。我国在引进这种技术时，为了阐述分散控制、集中治理这个理念，把它翻译成：集散控制系统，而不是分布式控制系统。但我们从英文的内容看到：DCS是分布式控制系统的简称，强调的是“分布的概念。什么是分布的真正含义呢？从概念上讲，所谓分布就是要分散危险，也就是讲，不能由于系统中的某个元件或者部件出问题，而造成整个系统的瘫痪。从构造来看，就是把控制系统比拟重要的局部，如CPU，分散到几个CPU来实现；如存储器，分散到多个模块执行；如总线，变成冗余的网络进展；如操纵系统，变成基于实时网络、多任务操纵系统。下面就比照我们非常熟悉的PC机，来理解DCS系统的构造。当教师介绍P

10、C机的构成时，可以知道是由中央处理器CPU，内部存储器RAM，外部存储器硬盘，内部总线ISA，VESA，PCI等和输入设备键盘、鼠标、光驱、摄像头等，输出设备显示器、打印机、绘图仪等等构成；而DCS系统就是把上述的部件，变成网络中的一个节点单元每个都相当于独立运行的PC机，来分散风险。比方：DCS系统中的经过控制器和逻辑控制器，相当于两个CPU，分别完成仪表控制和电气控制；应用数据治理器相当于内部存储器；历史数据治理器相当于外部存储器；操纵员站和工程师站相当于局部输入/输出单元；而所有的节点单元都通过实时的局域控制网络相当于PC内部在线，连接在一起，构成了根本的DCS系统。可以看出：DCS系统

11、是PC经过放大了的系统。但从系统的实现上，发生了质的变化：不由于某个节点单元发生故障，而造成整个系统的失效。不像我们的PC机：经常死机，需要重新驱动！DCS系统不光分散了危险，也分散了CPU的负载。PC机中的所有工作都由一个CPU来做，而DCS系统中，那么由多个CPU来实现，进而降低了每个CPU的工作量。应该讲，这也是非常有意义的，由于CPU的负载超过某个值时，如80，可能会造成过热、死机等问题，就是讲：具有发生故障的潜伏可能性。这也就是为什么很多游戏玩家，用“极品飞车来测试CPU的性能，实际上，这是一种超负荷测试，来检验CPU的才能。从另外一个角度来讲，仅仅使用集成度和时钟频率来进步CPU的

12、性能的方法，碰到了物理和材料方面的极限，所以，无论是英特尔，还是AMD都采用双核与多核技术来进步CPU的性能。这也从反方向证实了：通太多CPU的方法可以进步整个系统才能。align=center图2：典型的DCS构造/align现场总线系统前面介绍了远程输入/输出系统的根本概念和构造，假如再仔细分析就会发现，固然系统解决了本地到远程的接线问题，可到了远程机架，还是采用传统的机架、传统的模块、传统的并行接线。我们会问：有没有可能从根本上改变传统的接线方式？有没有不用并行连接，而只用串行连接的传感器/执行器？这个答案就是：使用现场总线！现场总线的历史可以追溯到上世纪的八十年度代，由于工业自动化界缺

13、少IT界类似于IBM和微软、英特尔这样的重量级大腕，一时间，现场总线的种类多如牛毛，有点象春秋战国时代的封建诸侯，各自为政，多达数十种，就连IEC通过的品种也有十八类。比方常用的有：Asi，Can，Modbus，InterBus，Profibus，FF，HART等。align=center图3：Asi典型配置/align现场总线对于工业控制和自动化的最大奉献是：它彻底颠覆了传统的接线方式，并把智能分配给了传感器和执行器。第一，前面提到，传统的接线方式是并行的，而现场总线一律采用串行方式。只是考虑对传统接线方式的兼容，才允许在某些节点上，可以转成并行方式接线。从拓扑构造上看，有些现场总线除了支持

14、总线方式之外，还支持树形、星形、环形和混合形的方式。从间隔上看，从100米到1000米、数千米不等；从速度上讲，低的有9600波特率，高的有几兆、十几兆的波特率。假如把以太网技术也纳入到现场总线里来的话，间隔可以到几十到上百公里，速度可以到达千兆和万兆！第二，传感器和执行器的智能化。现场总线不光可以传送传统的物理量的值，如：离散量、模拟量、脉冲量等，还可以传送传感器和执行器的状态量。应该讲：这是一次质的飞跃！由于这是一个从前非现场总线不可能完成的任务！试想一下，很多传感器装在平凡人难于触及的地方，如：烟囱、地下、核施行等，假如传感器可以自己主动把运行状态告知控制系统，那真是现场维护人员的喜讯，

15、大大减少了系统维护的费用。具解析，某个厂家的变送器的诊断参数多达37个，什么断线啦、温度超限啦、元件虚焊啦，统统一网打尽。可以讲，只要你关心的问题，它们全都包括。使用这种变送器的用户，是否会由于这种产品的功能而爽呆了呢？智能传感器的出现，也为维护人员对设备的维护，由被动转为了主动。试举一例来讲明之。每种传感器都是有寿命的，比拟重要的参数是：产品的电气寿命和机械寿命，一来这两个参数是不一样的；二来到了寿命不一定这个传感器就不能用了，可能还能持续一段时间，但具有潜伏失效的可能性。传统的维护方法有两种，一种为：直到该传感器出了故障，不能用或影响消费时，才来查找问题发生的故障源，找到后，更换该产品，这

16、势必影响消费，带来延时和产品质量的损失；另一种为：按时更换所有的传感器产品，以防由于传感器故障影响消费，但这种方式维护的费用比拟高，有些产品甚至怎么用就更换，比拟浪费。我们再来看看什么是主动的维护方法。充分利用传感器的智能处理器和存储器，对其状态进展监视。讲一个最简单的方法，传感器不是有使用寿命吗？比方讲明书上标注的是：20万次。那就对它的使用次数进展计数，快要到达这个次数时，如18万次，就马上提醒维护人员，告诉他们赶紧更换这个传感器，否那么要发生故障了。这样就可以把故障处理在它可能发生之前！当然了，即使故障由于其他的原因发生了，那么查找起来也比传统的传感器轻易的多，由于它的故障状态已经显示在

17、操纵员的屏幕上了。全分布式系统前面介绍的分布式输入/输出系统，由于历史的原因，主站节点单元都放于环境较好的主机房里，通常还带有空调系统，确保室内的温度。这主要担忧CPU是有源元件，集成度不高，轻易出问题。而输入/输出从站节点单元位于较为恶劣的现场，考虑的是输入/输出模块大多数为无源的电阻、电容等元件构成，所以抗干扰的才能比拟强，这就组成了传统的远程输入/输出的系统构造。align=center图4：典型全分布式方案/align今天再看这种系统构造，也还是有很大的问题：第一，过分倚赖远程网络，所有的输入信号不管是否使用，不管时间长短，不管是否变化，每个扫描周期都要通过网络送向主站；而经过运算的结

18、果，再通过网络，送向远程分站，线路繁忙，效率低下。第二，过分倚赖主站CPU的作用，所有的运算都由它来完成，负担较重，负载较大，而且一旦出现问题包括CPU、网络，由于这是一种主从构造，分站是波动的承受方，所以即使知道也无能为力，只能听天由命。为了克制上述问题，全分布式系统更多地强调平衡、和和谐主动。改变的方式如下：在远程分站，把通讯适配器改换成一个小CPU，把原来远程主站单元向远程分站发送数据的单向传送，变为既可以主站往分站送，又可以分站单元往主站发送的双向通讯。另外，分站的CPU可以以运行一些程序，分担主站CPU的负载。这种构造的优点是：远程分站的CPU可以分担主站CPU的局部工作，这个百分比

19、可以由用户来决定。比方：主站CPU和分站CPU各自执行50的程序。这样就降低了主站CPU的负载。在最糟糕的情况，如主CPU停机或远程通讯完全中断时，分站CPU承当所有工作，系统仍然可以正常运行。由于有了分站CPU，分站的处理才能加强，可以按照应用需求减少远程网络的传送数据，由于不是每个数据，每个扫描周期都要传送给主站单元。比方：有些数字量在扫描周期里没有变化，对程序没有影响，就不用传送；有些模拟量变化非常缓慢，我们可以给它们设置一个死区，在这个区域内，我们以为它没有变化，所以也不用传送。这样就降低了网络的负载。原来的构造，分站由于没有CPU，完全处于被动，状态是主站发，分站收，是一种单向通讯。

20、用如今的新构造，除了原来的方式外，还可以增加分站主动向主站发送或者索要信息，构成了一个反向通讯。这样分站就增加了主动性，可以根据主站、网络的情况，决定自己做什么工作，做多少工作，使得整个控制系统更加趋于平衡。运行更加趋于公道。在设备冗余的主站系统中，主站CPU进展切换时，假如没有分站的CPU，可能会发生两种情况：有扰动切换和无扰动切换。这种扰动是由于分布式网络运行周期与主站CPU的扫描周期不同步而造成的，假如两者同步就不会产生扰动，假如不同步就有可能产生扰动。而新构造增加了CPU，可以判定主站的工作情况，然后采取对应的策略，所以可以消除不必要的扰动。从以上分析可以看出，从集中式I/O到分布式I/O远程I/O，从集中式CPU到本地分布式CPUdcs，从远程嵌入式CPU现场总线，到远程分布式CPU新分布式系统，有着一种符合其规律的开展经过，这也是伴随着芯片制造技术的进步，分站CPU抗干扰才能的增强，和处理器价格的降低带来结果。因此我们的工程设计人员、工程执行人员、工程咨询人员和最终使用人员，应该与时俱进，转变固有概念，把自动化系统构建的更为高效，更为公道，更为平衡，更为和谐。0