淺談DCS控制系統(tǒng)中的通信技術(shù)

 從DCS控制系統(tǒng)的級(jí)成結(jié)構(gòu)看可以分為三大部分：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。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)。

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)。這稱為I/O總線。I/O板相互之間并不交換數(shù)據(jù)。I/O總線的速率是不高的。從幾十K到幾兆不等。這與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展情況有關(guān)。80年代初是20K，80年代中期是40K、80年代末期是80K，90年代是幾兆。為了快速，最好是并行總線。采用并行總線，其I/O模件必需與控制器模件相鄰。采用串行總線的情況下，I/O板和控制器之間的距離也要比較近才行。最好把控制器模件和I/O模件裝在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)或相鄰的機(jī)柜內(nèi)。遠(yuǎn)程I/O應(yīng)該采用現(xiàn)場(chǎng)總線。如CAN、LONWORKS、HART總線等?，F(xiàn)場(chǎng)總線是90年代初發(fā)展起來(lái)的。在I/O板中從硬件來(lái)說(shuō)應(yīng)該有能接收現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)的信號(hào)的輸入、輸出板。從軟件來(lái)說(shuō)在控制器中應(yīng)該有讀取和寫(xiě)到現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)的功能塊。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，離控制器機(jī)柜距璃比較遠(yuǎn)，把16個(gè)變送器來(lái)的信號(hào)編成為一組，用HART總線把信號(hào)送到控制器，空制器同時(shí)讀進(jìn)16個(gè)變送器來(lái)的信號(hào)?？刂破骱妥兯推鲀烧呔嚯x可達(dá)1公里以上。在從美國(guó)、歐洲進(jìn)口的DCS系統(tǒng)中，幾乎都有HART協(xié)議板。實(shí)際應(yīng)用中，遠(yuǎn)程信號(hào)是比較多的。如水泥廠，回轉(zhuǎn)窯的窯頭與窯尾，兩者距離有幾百米，如果在網(wǎng)絡(luò)上設(shè)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，需要兩套結(jié)點(diǎn)的接口模件，接口模件的費(fèi)用比較高，如果設(shè)一個(gè)結(jié)點(diǎn)，在地理位置上不管結(jié)點(diǎn)安排是在窯頭還是窯尾，都需要采用遠(yuǎn)程I/O。

第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)是控制器之間的通訊，把完成不同任務(wù)的三種控制器連在一條總線上，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。在這一條總線上除三種不同的控制器模件以外，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(kāi)關(guān)量之間的結(jié)合很好?？刂瓶偩€不是每一種DCS系統(tǒng)都有的，可以把各種控制器分別連到DCS網(wǎng)絡(luò)上?？刂破髦g的數(shù)據(jù)調(diào)用要通過(guò)DCS網(wǎng)絡(luò)?？刂瓶偩€的速率情況與I/O總線的情況相類似。通常是幾十K到幾兆之間。當(dāng)CPU和存儲(chǔ)器的能力比較強(qiáng)時(shí)，把開(kāi)關(guān)量的邏輯運(yùn)算和模擬量的采集功能都在一個(gè)控制器中完成。在控制總線上就只有一種形式的控制器。其協(xié)議采用載波監(jiān)聽(tīng)，廣播發(fā)送，類似以太網(wǎng)的協(xié)議。

第三級(jí)是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)。為了確保通訊成功，DCS生產(chǎn)廠家無(wú)論是電纜，還是通訊口，都把它們做成冗余的。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。備用方式各種DCS有別。如美國(guó)的LEEDS—NORTHROP的MAX-1系統(tǒng)采用冗余兩環(huán)信息正向和反向同時(shí)運(yùn)行。有的系統(tǒng)一個(gè)環(huán)在運(yùn)行，另一個(gè)等待。

連在DCS通訊網(wǎng)絡(luò)上的部件稱為結(jié)點(diǎn)。在地理位置上，結(jié)點(diǎn)可以分散配置，各結(jié)點(diǎn)之間的距離各DCS系統(tǒng)不同。有的可達(dá)幾百米。傳輸速率在幾百K至一百兆之間。10兆是常用的速率。DCS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)要加中繼器。

三種總線的通訊協(xié)議是由各DCS生產(chǎn)廠家自行開(kāi)發(fā)的，通訊協(xié)議是不公開(kāi)的。

DCS網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式大致是三種，分別是總線形、環(huán)形和星形。星形結(jié)構(gòu)通常只用于小系統(tǒng)。通訊協(xié)議有令牌廣播式，問(wèn)詢式和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式。問(wèn)詢式協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)要有交通指揮器。所有人機(jī)界面要向控制器請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，必需通過(guò)交通指揮器，由交通指揮器來(lái)向控制器請(qǐng)求數(shù)據(jù)?？刂破鞑拍馨l(fā)送信息給人機(jī)界面。如HONEYWELL的TDC2000，F(xiàn)ISHER的PROVOX，都有交通指揮器。在星形網(wǎng)絡(luò)中，人機(jī)界面(操作站)可以作為交通指揮器。它只能連接一個(gè)人機(jī)界面的結(jié)點(diǎn)。把它作為操作站。網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面也比較小。由一些回路控制器組成的系統(tǒng)通常都連成星形網(wǎng)絡(luò)。令牌廣播式由一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)令牌(令牌是特別的比特組，比特組內(nèi)無(wú)源地址和目的地址)，令牌沿環(huán)繞行。拿到這個(gè)令牌的結(jié)點(diǎn)就改變令牌中一個(gè)特定位，將令牌變成一信息幀的幀起始定界符，加掛上構(gòu)成一幀所需要的其余字段以發(fā)送信息，網(wǎng)絡(luò)上的其它結(jié)點(diǎn)都在接收信息。當(dāng)本站檢測(cè)到幀的目的地址與本站地址相符時(shí)，就接收該信息幀。同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)該幀，直到該幀回到發(fā)送站，才把該幀釋放。再發(fā)送新令牌。這種協(xié)議的特點(diǎn)是持有令牌的結(jié)點(diǎn)才能發(fā)送信息。令牌廣播式協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，可以連接多個(gè)人機(jī)界面的結(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)上的結(jié)點(diǎn)都是平等的。每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)發(fā)送信息。如美國(guó)BAILEY的INFI90 90是令牌廣播網(wǎng)。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議是一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)出信息，傳給下一個(gè)，這個(gè)結(jié)點(diǎn)接到信息，必需先存下來(lái)，如果自己要，就可以接收下來(lái)，如果不需要，就把它轉(zhuǎn)發(fā)出去。直至到需要這個(gè)信息的結(jié)點(diǎn)為止。然后信息再返回到源結(jié)點(diǎn)，才釋放這個(gè)信息。這種協(xié)議用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中。這種環(huán)形網(wǎng)絡(luò)可以長(zhǎng)達(dá)幾公里。如美國(guó)BAILEY的NETWORK 90的廠區(qū)環(huán)路就是這樣的網(wǎng)絡(luò)。不管什么結(jié)構(gòu)形式的網(wǎng)絡(luò)，連到網(wǎng)絡(luò)上的結(jié)點(diǎn)的總數(shù)是有限制的，至于什么樣的結(jié)點(diǎn)，有幾個(gè)，它是不受限制的。

在DCS網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸是以信息幀的形式傳輸?shù)?。它是同步發(fā)送星息。半雙工發(fā)送。雙工發(fā)送的極少。每一幀信息都有信息頭，信息尾，信息幀中緊跟首旗的是地址，其中包括信號(hào)發(fā)出的結(jié)點(diǎn)的源地址，如結(jié)點(diǎn)號(hào)、模件號(hào)、功能塊號(hào)以及接收信息的結(jié)點(diǎn)的目的地址，如結(jié)點(diǎn)號(hào)、模件號(hào)和功能塊地址。信息幀的中間是數(shù)據(jù)，再后面是校驗(yàn)。校驗(yàn)最多的是采用循環(huán)冗余校驗(yàn)。CRC碼是一種高效能的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)碼。數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中，可以是一幀，也可以是兩幀，如果是兩幀，頭幀是旗，第二幀才是數(shù)據(jù)。最長(zhǎng)的一幀信息可長(zhǎng)達(dá)200多個(gè)字節(jié)。采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，把這個(gè)結(jié)點(diǎn)旁通，讓信息通過(guò)。