DCS的通訊網(wǎng)絡(luò)

　　摘要 本文介紹了DCS的通訊網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)我公司使用的Bailey的DCS的通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明。
　　
　　關(guān)鍵詞 DCS I/O總線 控制總線 DCS網(wǎng)絡(luò)
　　
　　
　　1 前言
　　 DCS（分散型控制系統(tǒng)）是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，以危險(xiǎn)分散控制，操作和管理集中為特性，集先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、CRT技術(shù)和控制技術(shù)即4C技術(shù)于一體的控制系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，DCS正向著多元化、網(wǎng)絡(luò)化、開放化、集成管理方向發(fā)展，使得不同型號(hào)的DCS可以互連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并可通過(guò)以太網(wǎng)將DCS系統(tǒng)和工廠管理網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上網(wǎng)，成為過(guò)程工業(yè)自動(dòng)控制的主流。
　　
　　2 DCS的結(jié)構(gòu)組成
　　 DCS主要分為三大部分：帶I/O部件的控制器、通訊網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)接口（HSI）�？刂破鱅/O部件直接與生產(chǎn)過(guò)程相連，接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備送來(lái)的信號(hào)；人機(jī)接口是操作人員與DCS相互交換信息的設(shè)備；通訊網(wǎng)絡(luò)將控制器和人機(jī)接口聯(lián)系起來(lái)，形成一個(gè)有機(jī)的整體。DCS的典型結(jié)構(gòu)如下圖：
　　
　　
　　
　　
　　早期的DCS系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)都是專用的，DCS有
　　幾級(jí)網(wǎng)絡(luò)，完成不同模件之間的通訊。從目前的情況 來(lái)看，DCS的最多網(wǎng)絡(luò)級(jí)有四級(jí)，它們分別是I/O總線、現(xiàn)場(chǎng)總線、控制總線和DCS網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下圖：
　　
　　
　　3 DCS的通訊網(wǎng)絡(luò)
　　
　　
　　 我公司使用的美國(guó)Bailey的DCS通訊網(wǎng)絡(luò)主要是3級(jí)，分別是：子總線（Slave Bus）相當(dāng)于上面所述的I/O總線、控制通道（Controlway）即控制總線和Cnet（Control Network）即DCS網(wǎng)絡(luò)。
　　(1) I/O總線
　　 它把多種I/O信號(hào)送到控制器，由控制器讀取I/O信號(hào)，I/O模件之間并不交換數(shù)據(jù)。I/O總線包括并行總線和串行總線。I/O總線的傳輸速率是不高的，從幾十K到幾兆不等，為了快速，最好是并行總線。采用并行總線，其I/O模件必須與控制器模件相鄰。若采用串行總線，I/O模件和控制器之間的距離也要比較近才行。通常把控制器模件和I/O模件裝在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)或相鄰的機(jī)柜內(nèi)。
　　 我公司采用的是一并行的，以500Kbaud通訊，并支持控制器模件配置的相關(guān)64個(gè)子模件的總線，控制器模件和I/O模件在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)。
　　(2) 現(xiàn)場(chǎng)總線
　　 現(xiàn)場(chǎng)總線是90年代初發(fā)展起來(lái)的，遠(yuǎn)程I/O應(yīng)該采用現(xiàn)場(chǎng)總線，如CAN、LONWORKS、HART總線。在DCS系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程I/O采用HART總線比較多。比如現(xiàn)場(chǎng)的變送器，距離控制器機(jī)柜比較遠(yuǎn)，常把16個(gè)變送器來(lái)的信號(hào)編成一組，用HART總線把信號(hào)送到控制器，控制器同時(shí)讀進(jìn)16個(gè)變送器來(lái)的信號(hào)。采用現(xiàn)場(chǎng)總線，控制器和變送器兩者距離可達(dá)1公里以上。
　　(3) 控制總線
　　 把完成不同任務(wù)的三種控制器連在一條總線上，實(shí)現(xiàn)控制器之間的通訊，稱為控制總線。在控制總線上的不同控制器的數(shù)量不受限制，在這一條總線上除控制器模件以外，還有DCS網(wǎng)絡(luò)的接口模件。在控制總線上，控制器之間可以調(diào)用數(shù)據(jù)，使得模擬量和開關(guān)量之間的結(jié)合很好�？刂瓶偩�不是DCS系統(tǒng)都具有，可以把各種控制器分別連到DCS網(wǎng)絡(luò)上，控制器之間的數(shù)據(jù)調(diào)用通過(guò)DCS網(wǎng)絡(luò)�？刂瓶偩�的傳輸速率與I/O總線的傳輸速率相類似。通常是幾十K到幾兆之間。
　　 我公司的控制通道是一串行的，以1Mbaud通信，并支持32個(gè)智能處理器模件的冗余總線結(jié)構(gòu)。并通過(guò)NPM（網(wǎng)絡(luò)處理模件）和NIS（網(wǎng)絡(luò)接口子模件）與Cnet相連。該總線采用自由競(jìng)爭(zhēng)式協(xié)議。
　　(4) DCS網(wǎng)絡(luò)
　　 它把現(xiàn)場(chǎng)控制器和人機(jī)界面連成一個(gè)系統(tǒng)。為了確保通訊可靠，DCS生產(chǎn)廠家無(wú)論是電纜，還是通訊接口，都作成冗余的，一條網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，另一條備用網(wǎng)絡(luò)立即投入運(yùn)行。連在DCS通訊網(wǎng)絡(luò)上的部件稱為結(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）。在地理位置上，結(jié)點(diǎn)可以分散配置，各結(jié)點(diǎn)的距離各DCS系統(tǒng)不同，有的可達(dá)幾百米。DCS網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率在幾百K至一百兆之間，網(wǎng)絡(luò)的總長(zhǎng)度可達(dá)幾公里，最短也有幾百米，網(wǎng)絡(luò)不夠長(zhǎng)時(shí)需加中繼器。
　　 我公司采用的Cnet是采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式協(xié)議的擁有19個(gè)節(jié)點(diǎn)的冗余的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)。
　　
　　4 DCS的通訊網(wǎng)絡(luò)特性
　　 通訊介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通訊協(xié)議是DCS通訊網(wǎng)絡(luò)特性的三要素。
　　 通訊介質(zhì)主要有雙絞線、同軸電纜、光導(dǎo)纖維三種。最早的DCS采用雙絞線或同軸電纜，傳輸速率在1Mbps以下，目前的DCS主要采用同軸電纜或光纖，通信速率為1-10Mbps。
　　 在DCS中通常有總線型、環(huán)型、星型三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)�？偩�型在邏輯上也是環(huán)型的，星型通常只用于小系統(tǒng)。如TDC-3000、Centum CS-3000等為雙總線型網(wǎng)絡(luò);Advant-500、MOD-300、INFI-90等采用雙環(huán)冗余網(wǎng)絡(luò);JX-300等采用星型網(wǎng)絡(luò)。
　　 當(dāng)結(jié)點(diǎn)連到DCS的通訊網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，通常有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，控制器把數(shù)據(jù)送到接口，人機(jī)界面從網(wǎng)絡(luò)接口讀取數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)遵循網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，常用的DCS的通訊控制方式分為令牌廣播式、問(wèn)詢式和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式三種，通訊協(xié)議是由各DCS生產(chǎn)廠家自行開發(fā)的，一般不公開。它們各有特點(diǎn)，應(yīng)用都較為廣泛。
　　如Beiley INFI-90、Advant-500系統(tǒng)等使用令牌轉(zhuǎn)發(fā)式協(xié)議；Honeywell的TDC-2000，F(xiàn)isher的Provox采用問(wèn)詢式；存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式協(xié)議主要用于環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中，如Beiley NETWORK-90系統(tǒng)等。
　　
　　 下面為我公司DCS系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)主要結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)一覽表
　　
　　名稱 環(huán)行網(wǎng)絡(luò) 控制通道 子總線
　　容量 250個(gè)節(jié)點(diǎn) 32個(gè)智能模件 64個(gè)子模件
　　速率 10M波特率 1M波特率 500KHZ
　　介質(zhì) 同軸/光纖 印刷電路板 印刷電路板
　　節(jié)點(diǎn)距離 2000~4000M 本機(jī)柜 本機(jī)柜
　　
　　5 DCS通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向
　　 從DCS系統(tǒng)誕生至今，DCS系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)歷經(jīng)幾代，第一代主要解決一個(gè)生產(chǎn)裝置中幾個(gè)控制站和一個(gè)或幾個(gè)操作站之間的數(shù)據(jù)通信問(wèn)題；第二代DCS則解決多個(gè)裝置的DCS互聯(lián)問(wèn)題；第三代DCS則解決一個(gè)工廠的多個(gè)車間互聯(lián)及與全廠計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問(wèn)題。因此可以預(yù)見，未來(lái)的DCS系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)將向以下方向發(fā)展：
　　 (1) DCS系統(tǒng)的通信功能發(fā)展與全廠管理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向融合，逐漸實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)由多重化結(jié)構(gòu)向扁平化過(guò)渡。
　　 (2) 實(shí)現(xiàn)完整的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型即ISO/OSI 7層模型，規(guī)定了通信過(guò)程分段和網(wǎng)絡(luò)功能分層，DCS通信標(biāo)準(zhǔn)化或開放性。
　　 (3) 采用數(shù)字通信技術(shù)，