淺談DCS控制系統(tǒng)中的通信技術(shù)

 從DCS控制系統(tǒng)的級成結(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)和人機接口(HSI)。控制器I/O部件直接與生產(chǎn)過程相連,接收現(xiàn)場設(shè)備送來的信號;人機接口是操作人員與DCS相互交換信息的設(shè)備;通訊網(wǎng)絡(luò)將控制器和人機接口聯(lián)系起來,形成一個有機的整體。早期的DCS系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)都是專用的,DCS有 幾級網(wǎng)絡(luò),完成不同模件之間的通訊。從目前的情況 來看,DCS的最多網(wǎng)絡(luò)級有四級,它們分別是I/O總線、現(xiàn)場總線、控制總線和DCS網(wǎng)絡(luò)。

I/O總線，它把多種I/O信號送到控制器，由控制器讀取I/O信號。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。這與計算機技術(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模件裝在一個機柜內(nèi)或相鄰的機柜內(nèi)。遠程I/O應(yīng)該采用現(xiàn)場總線。如CAN、LONWORKS、HART總線等?，F(xiàn)場總線是90年代初發(fā)展起來的。在I/O板中從硬件來說應(yīng)該有能接收現(xiàn)場總線來的信號的輸入、輸出板。從軟件來說在控制器中應(yīng)該有讀取和寫到現(xiàn)場總線信號的功能塊。在DCS系統(tǒng)中，遠程I/O采用HART總線比較多。比如現(xiàn)場的變送器，離控制器機柜距璃比較遠，把16個變送器來的信號編成為一組，用HART總線把信號送到控制器，空制器同時讀進16個變送器來的信號?？刂破骱妥兯推鲀烧呔嚯x可達1公里以上。在從美國、歐洲進口的DCS系統(tǒng)中，幾乎都有HART協(xié)議板。實際應(yīng)用中，遠程信號是比較多的。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)兩個結(jié)點，需要兩套結(jié)點的接口模件，接口模件的費用比較高，如果設(shè)一個結(jié)點，在地理位置上不管結(jié)點安排是在窯頭還是窯尾，都需要采用遠程I/O。

第二級網(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和存儲器的能力比較強時，把開關(guān)量的邏輯運算和模擬量的采集功能都在一個控制器中完成。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，廣播發(fā)送，類似以太網(wǎng)的協(xié)議。

第三級是DCS網(wǎng)絡(luò)。它把現(xiàn)場控制器和人機界面連成一個系統(tǒng)。為了確保通訊成功，DCS生產(chǎn)廠家無論是電纜，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)立即投入運行。備用方式各種DCS有別。如美國的LEEDS—NORTHROP的MAX-1系統(tǒng)采用冗余兩環(huán)信息正向和反向同時運行。有的系統(tǒng)一個環(huán)在運行，另一個等待。

連在DCS通訊網(wǎng)絡(luò)上的部件稱為結(jié)點。在地理位置上，結(jié)點可以分散配置，各結(jié)點之間的距離各DCS系統(tǒng)不同。有的可達幾百米。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)的總長度可達幾公里，最短也有幾百米，網(wǎng)絡(luò)不夠長時要加中繼器。

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

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，問詢式和存儲轉(zhuǎn)發(fā)式。問詢式協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)要有交通指揮器。所有人機界面要向控制器請求數(shù)據(jù)時，必需通過交通指揮器，由交通指揮器來向控制器請求數(shù)據(jù)。控制器才能發(fā)送信息給人機界面。如HONEYWELL的TDC2000，F(xiàn)ISHER的PROVOX，都有交通指揮器。在星形網(wǎng)絡(luò)中，人機界面(操作站)可以作為交通指揮器。它只能連接一個人機界面的結(jié)點。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)。令牌廣播式由一個結(jié)點發(fā)出一個令牌(令牌是特別的比特組，比特組內(nèi)無源地址和目的地址)，令牌沿環(huán)繞行。拿到這個令牌的結(jié)點就改變令牌中一個特定位，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)點都在接收信息。當(dāng)本站檢測到幀的目的地址與本站地址相符時，就接收該信息幀。同時轉(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)議的特點是持有令牌的結(jié)點才能發(fā)送信息。令牌廣播式協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，可以連接多個人機界面的結(jié)點。在網(wǎng)絡(luò)上的結(jié)點都是平等的。每一個結(jié)點都有機會發(fā)送信息。如美國BAILEY的INFI90 90是令牌廣播網(wǎng)。存儲轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議是一個結(jié)點發(fā)出信息，傳給下一個，這個結(jié)點接到信息，必需先存下來，如果自己要，就可以接收下來，如果不需要，就把它轉(zhuǎn)發(fā)出去。直至到需要這個信息的結(jié)點為止。然后信息再返回到源結(jié)點，才釋放這個信息。這種協(xié)議用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中。這種環(huán)形網(wǎng)絡(luò)可以長達幾公里。如美國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)點的總數(shù)是有限制的，至于什么樣的結(jié)點，有幾個，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)摹Ｋ峭桨l(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，其中包括信號發(fā)出的結(jié)點的源地址，如結(jié)點號、模件號、功能塊號以及接收信息的結(jié)點的目的地址，如結(jié)點號、模件號和功能塊地址。信息幀的中間是數(shù)據(jù)，再后面是校驗。校驗最多的是采用循環(huán)冗余校驗。CRC碼是一種高效能的檢錯和糾錯碼。數(shù)據(jù)在傳輸過程中，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)。最長的一幀信息可長達200多個字節(jié)。采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一個結(jié)點發(fā)生故障時，把這個結(jié)點旁通，讓信息通過。