浅谈分散型控制系统的通讯网络_工业自动化控制_控制系统_1371

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1、浅谈分散型控制系统的通讯网络_工业自动化控制_控制系统1 1、前言、前言分散型控制系统（DCS）是以微处理机为基础，以危险分散控制，操作和管 理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT 技术和控制技术即 4C 技 术于一体的新型控制系统。随着现代计算机和通讯网络技术的高速发展，DCS 正向着多元化、网络化、开放化、集成管理方向发展，使得不同型号的 DCS 可 以互连，进行数据交换，并可通过以太网将 DCS 系统和工厂管理网相连，实现 实时数据上网，成为过程工业自动控制的主流。2 2、DCSDCS 的结构组成的结构组成DCS 主要分为三大部分：带 I/O 部件的控制器、通讯网络和人机接口

2、 （HMI）。控制器 I/O 部件直接与生产过程相连，接收现场设备送来的信号；人 机接口是操作人员与 DCS 相互交换信息的设备；通讯网络将控制器和人机接口 联系起来，形成一个有机的整体。从某种意义上说，控制器是“心脏”；人机 接口是“眼睛”；通讯网络则是“神经网络”。DCS 的典型结构如图一：图一 DCS 的典型结构3 3、DCSDCS 的通讯网络的通讯网络3.1 发展历程随着计算机技术、网络技术和控制技术的不断发展，DCS 自 20 世纪 70 年 代问世以来，先后经历了四个发展时期，具体划分为：(1) 19751980 初创期。此时的 DCS 通讯系统只是一种初级局部网络，全 系统由一个

3、通讯指挥器指挥，对各单元的访问是轮流询问方式。如 TDC- 2000、MOD-3 等。(2) 19801985 成熟期。采用局域网络，由主从式星型网络转变成对等式 的总线网络通信或环网通信，扩大了通信范围，提高了传输速率。如 TDC- 3000、MOD-300 等。(3) 19851990 扩展期。在局域网络方面采用国际标准组织 ISO 的 OSI 开 放系统互联的参考模型，使符合开放系统的各制造厂的产品可以互连，互通信 以及进行数据交换，第三方软件以可以应用。改变了过去 DCS 各厂自成系统的 封闭结构，DCS 由原来的仅能应用发展到不仅能应用而且能开发。TDC- 3000（带 UCN 网）

4、Centum XL 等。(4) 90 年代以后，网络开放期。采用符合国际标准的通信协议和规程，即 IEE802（以太网）、IEE802.4（令牌总线）、EEFDDI（光纤分布数据界面）、 TCP/IP（传输控制协议/互联协议）或 MAP（制造自动化协议）等，使不同厂家 型号、不同操作系统的计算机可共存一个网络标准，达到产品互换、资源共享 的目的。如 Centum CS-3000、Advant-500 等。3.2 通讯网络的特点通讯网络是 DCS 的重要支柱，执行分散控制的各单元以及各级人机接口要 靠通讯系统连成一体，这种在局部区域内使用各种数据通讯的设备互连的通讯 网络称为局域网（LAN）。它

5、是一个高通讯速率，低误码率，快速响应的局部网 络，具有组织灵活，易于扩展，资源共享的特点，然而 DCS 完成的是工业控制， 因此它与一般的办公室用局部网络有所不同，具有如下的特点：(1) 具有快速的实时响应能力，一般办公室自动化计算机局部网络响应时 间为 2-6s，而它要求 0.01-0.5s(2) 具有极高的可靠性，必须连续、准确运行，数据传送误码率低于 10- 810-11，系统利用率在 99.999%以上(3) 适合于在恶劣环境下工作，能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰和低 电位差干扰。(4) 分层结构，为适应 DCS 的分层结构，其通讯网络也必须具有分层结构， 如分为现场总线，车间级网络

6、系统，工厂级网络系统等不同层次。3.3 通讯网络的分级体系早期的 DCS 系统的通讯网络都是专用的，DCS 有几级网络，完成不同模件 之间的通讯。从目前的情况来看，DCS 的最多网络级有四级，它们分别是 I/O 总线、现场总线、控制总线和 DCS 网络。其网络结构图如图二：图二 DCS 网络结构图(1) I/O 总线它把多种 I/O 信号送到控制器，由控制器读取 I/O 信号，I/O 模件之间并 不交换数据。I/O 总线包括并行总线和串行总线。I/O 总线的传输速率是不高的， 从几十 K 到几兆不等，为了快速，最好是并行总线。采用并行总线，其 I/O 模 件必须与控制器模件相邻。若采用串行总线

7、，I/O 模件和控制器之间的距离也 要比较近才行。通常把控制器模件和 I/O 模件装在一个机柜内或相邻的机柜内。(2) 现场总线现场总线是 90 年代初发展起来的，远程 I/O 应该采用现场总线，如 CAN、LONWORKS、HART 总线等。在 DCS 系统中，远程 I/O 采用 HART 总线比较多。 比如现场的变送器，距离控制器机柜比较远，常把 16 个变送器来的信号编成一 组，用 HART 总线把信号送到控制器，控制器同时读进 16 个变送器来的信号。 采用现场总线，控制器和变送器两者距离可达 1 公里以上。(3) 控制总线把完成不同任务的三种控制器连在一条总线上，实现控制器之间的通讯

8、， 称为控制总线。在控制总线上的不同控制器的数量不受限制，在这一条总线上 除三种不同的控制器模件以外，还有 DCS 网络的接口模件。在控制总线上，控 制器之间可以调用数据，使得模拟量和开关量之间的结合很好。控制总线不是 DCS 系统都具有，可以把各种控制器分别连到 DCS 网络上，控制器之间的数据 调用通过 DCS 网络。控制总线的传输速率与 I/O 总线的传输速率相类似。通常 是几十 K 到几兆之间。当 CPU 和存储器的能力比较强时，把开关量的逻辑运算和模拟量的采集功能都在一个控制器中完成，这样在控制总线上就只有一种形 式的控制器。其通讯协议类似以太网，采用载波监听，令牌广播发送。(4)

9、DCS 网络它把现场控制器和人机界面连成一个系统。为了确保通讯可靠，DCS 生产 厂家无论是电缆，还是通讯接口，都作成冗余的，一条网络发生故障，另一条 备用网络立即投入运行。连在 DCS 通讯网络上的部件称为结点（节点）。在地 理位置上，结点可以分散配置，各结点的距离各 DCS 系统不同，有的可达几百 米。DCS 网络的传输速率在几百 K 至一百兆之间，网络的总长度可达几公里， 最短也有几百米，网络不够长时需加中继器。4 4、DCSDCS 的通讯网络特性的通讯网络特性DCS 中参与网络通讯的最小单位为结点，发送信号的源结点把信号进行编 码，然后送到传输介质（通讯电缆），最后被接收这一信号的目的

10、结点接收， 而要保证在众多结点之间数据合理传送，还必须将通讯系统构成一定网络，并 且遵循一定的网络控制方法才能实现，因此说通讯介质、网络结构和通讯协议 是 DCS 通讯网络特性的三要素。4.1 通讯介质通讯介质又称为传输介质或信道，它是连接网上站或结点的物理信号通路， 主要有双绞线、同轴电缆、光导纤维三种。最早的 DCS 采用双绞线或同轴电缆， 传输速率在 1Mbps 以下，目前的 DCS 主要采用同轴电缆或光纤，通信速率为 1- 10Mbps。(1) 双绞线把两根平行导线按一定节距绞合在一起的信号线。双绞线最大带宽为 100KHz1MHz,，其传输速率低于 2Mbps，传输距离可达 15Km

11、 或更长。这种把 多股导线封装在屏蔽护套内构成一根电缆的结构，能较好地抑制电磁感应干扰， 但由于双绞线有较大的分布电容，故不宜传输高频信号。(2) 同轴电缆由中心导体，固定中心导体的电介质绝缘层，外屏蔽层导体和外绝缘层构 成，它又分基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种，它们的传输速率可分别达到 10Mbps 和 50Mbps，传输距离为几公里和数十公里，同轴电缆的抗干扰性较双绞 线好，它可传输高频和中频信号。(3) 光导纤维网络信息经光电转换器变换成光信号，在光缆中进行传输，光信号在光纤 中的传输速率大约是电信号在铜导线中传输速率的 2/3，因此光纤缆传输的延迟就大些，但光导纤维不受电磁场的影响，适

12、用于特别恶劣的环境，由于造价 昂贵，目前尚未被广泛采用。4.2 网络结构形式网络结构又称网络拓扑，它是指网络结点的互连方式，在 DCS 中通常有总 线型、环型、星型三种。总线型在逻辑上也是环型的，星型通常只用于小系统。(1) 总线型网络总线型网络结构如图三示。所有结点都挂接在总线上，为控制通讯，有的 设有通讯控制器，采取集中控制方式；有的把通讯控制功能分设在各通讯接口 中，称为发散控制方式。总线型通讯网络的性能主要取决于总线的“带宽”， 挂接设备的数目及总线访问规程。总线型网络结构简单，系统可大可小，扩展 方便，易设置备用部件，安装费用低，某设备故障不会威胁整个系统，是目前 广泛采用的一种网络

13、结构。如 TDC-3000、Centum CS-3000 等为双总线型网络。图三 总线型网络(2) 环型网络环型网络结构如图四示。网上所有结点都通过点对点链路连接，并构成一 封闭环，工作站通过结点接口单元与环相连，数据沿环单向或双向传输，当然 在双向传输时须考虑路径控制问题。环型结构的突出优点是结构简单，控制逻 辑简单，挂接或摘除结点也比较容易，系统的初始开发成本以及修改费用较低， 环型结构的主要问题是可靠性较差，当结点处理机或数据通道出现故障时，会 给整个系统带来威胁，虽可通过增设“旁路通道”或采用双向环形数据通道等 措施加以克服，但增加了系统的复杂性。如 Advant-500、MOD-30

14、0、INFI-90 等 采用双环冗余网络。图四 环型网络(3) 星型网络星型网络结构如图五示。星的中心为主结点，其他为从结点，网上各从站 间交换信息都要通过主站，这种拓扑结构体现了一种集中式通讯控制策略，主 结点负责全部信息的协调和传输，一旦发生故障，殃及整个网络。为了提高可 靠性，主结点采用冗余结构，使系统投资较大。如 JX-300 等采用星型网络。图五 星型网络4.3 通讯网络的通讯协议当结点连到 DCS 的通讯网络上时，通常有一个网络接口，控制器把数据送 到接口，人机界面从网络接口读取数据，读取数据时应遵循网络通讯协议，常 用的 DCS 的通讯控制方式分为令牌广播式、问询式和存储转发式三

15、种，通讯协 议是由各 DCS 生产厂家自行开发的，一般不公开。它们各有特点，应用都较为 广泛。(1) 令牌广播式协议令牌广播式由一个结点发出一个令牌（令牌是特别的比特组，比特组内无 源地址和目的地址），令牌沿环绕行。拿到这个令牌的结点就改变令牌中一个 特定位，将令牌变成一信息帧的帧起始定界符，加挂上构成一帧所需要的其余 字段以发送信息，网络上的其他结点都在收听信息。当本站检测到帧的目的地 址与本站地址相符时，就接收该信息帧（目的结点）。同时转发该帧，直到该 帧回到发送站（源结点），才把该帧释放。再发送新令牌。在同一时间内只有 一个结点在发送信息，其他都在收听。这种协议的特点是只有持有令牌的结点

16、 才能发送信息。令牌广播式协议的网络中，可以连接多个人机界面的结点，在 网络上的结点都是平等的，每一个结点都有机会发送信息。在环型和总线型网 络中用得较多，如 Beiley INFI-90、Advant-500 系统等。(2) 问询式问询式协议的网络设有交通指挥器，当人机界面向控制器请求数据时，必 须通过交通指挥器，由交通指挥器来向控制器请求数据，控制器才能发送信息 给人机界面。如 Honeywell 的 TDC-2000，Fisher 的 Provox，都有交通指挥器。 在星型网络中，人机界面（操作站）可以作为交通指挥器，但它只能连接一个 人机界面的结点。由一些回路控制器组成的系统通常都连成星型网络。(3) 存储转发式存储转发式协议是一个结点发出信息，传给下一个，这个结点接到信息， 必须先存下来，如果自己要，就可以接收下来，如果不需要，就把它转发出去。 直到需要这个信息的结点为止。然后信息再返回到源结点，才释放这个信息。 这种协议主要用于环型网络中，如 Beiley NETWORK-90 系统等。5 5、DCSDCS 通讯网络发展方向通讯网络发展方向从 DCS 系统