1、前言

    分散型控制系統(tǒng)（DCS）是以微處理機為基礎，以危險分散控制，操作和管理集中為特性，集先進的計算機技術、通訊技術、CRT技術和控制技術即4C技術于一體的新型控制系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代計算機和通訊網(wǎng)絡技術的高速發(fā)展，DCS正向著多元化、網(wǎng)絡化、開放化、集成管理方向發(fā)展，使得不同型號的DCS可以互連，進行數(shù)據(jù)交換，并可通過以太網(wǎng)將DCS系統(tǒng)和工廠管理網(wǎng)相連，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)上網(wǎng)，成為過程工業(yè)自動控制的主流。

    2、DCS的結構組成

    DCS主要分為三大部分：帶I/O部件的控制器、通訊網(wǎng)絡和人機接口（HMI）。控制器I/O部件直接與生產(chǎn)過程相連，接收現(xiàn)場設備送來的信號；人機接口是操作人員與DCS相互交換信息的設備；通訊網(wǎng)絡將控制器和人機接口聯(lián)系起來，形成一個有機的整體。從某種意義上說，控制器是“心臟”；人機接口是“眼睛”；通訊網(wǎng)絡則是“神經(jīng)網(wǎng)絡”。DCS的典型結構如圖一：

圖1 DCS的典型結構

    3、DCS的通訊網(wǎng)絡

    3.1 發(fā)展歷程

    隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術和控制技術的不斷發(fā)展，DCS自20世紀70年代問世以來，先后經(jīng)歷了四個發(fā)展時期，具體劃分為：

    (1) 1975―1980 初創(chuàng)期。此時的DCS通訊系統(tǒng)只是一種初級局部網(wǎng)絡，全系統(tǒng)由一個通訊指揮器指揮，對各單元的訪問是輪流詢問方式。如TDC-2000、MOD-3等。

    (2) 1980―1985 成熟期。采用局域網(wǎng)絡，由主從式星型網(wǎng)絡轉變成對等式的總線網(wǎng)絡通信或環(huán)網(wǎng)通信，擴大了通信范圍，提高了傳輸速率。如TDC-3000、MOD-300等。

    (3) 1985―1990 擴展期。在局域網(wǎng)絡方面采用國際標準組織ISO的OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)的參考模型，使符合開放系統(tǒng)的各制造廠的產(chǎn)品可以互連，互通信以及進行數(shù)據(jù)交換，第三方軟件以可以應用。改變了過去DCS各廠自成系統(tǒng)的封閉結構，DCS由原來的僅能應用發(fā)展到不僅能應用而且能開發(fā)。TDC-3000（帶UCN網(wǎng)）Centum XL等。

    (4) 90年代以后，網(wǎng)絡開放期。采用符合國際標準的通信協(xié)議和規(guī)程，即IEE802（以太網(wǎng)）、IEE802.4（令牌總線）、EEFDDI（光纖分布數(shù)據(jù)界面）、TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)協(xié)議）或MAP（制造自動化協(xié)議）等，使不同廠家型號、不同操作系統(tǒng)的計算機可共存一個網(wǎng)絡標準，達到產(chǎn)品互換、資源共享的目的。如Centum CS-3000、Advant-500等。

    3.2 通訊網(wǎng)絡的特點

    通訊網(wǎng)絡是DCS的重要支柱，執(zhí)行分散控制的各單元以及各級人機接口要靠通訊系統(tǒng)連成一體，這種在局部區(qū)域內(nèi)使用各種數(shù)據(jù)通訊的設備互連的通訊網(wǎng)絡稱為局域網(wǎng)（LAN）。它是一個高通訊速率，低誤碼率，快速響應的局部網(wǎng)絡，具有組織靈活，易于擴展，資源共享的特點，然而DCS完成的是工業(yè)控制，因此它與一般的辦公室用局部網(wǎng)絡有所不同，具有如下的特點：

    (1) 具有快速的實時響應能力，一般辦公室自動化計算機局部網(wǎng)絡響應時間為2-6s，而它要求0.01-0.5s

    (2) 具有極高的可靠性，必須連續(xù)、準確運行，數(shù)據(jù)傳送誤碼率低于10-8―10-11，系統(tǒng)利用率在99.999%以上

    (3) 適合于在惡劣環(huán)境下工作，能抗電源干擾、雷擊干擾、電磁干擾和低電位差干擾。

    (4) 分層結構，為適應DCS的分層結構，其通訊網(wǎng)絡也必須具有分層結構，如分為現(xiàn)場總線，車間級網(wǎng)絡系統(tǒng)，工廠級網(wǎng)絡系統(tǒng)等不同層次。

    3.3 通訊網(wǎng)絡的分級體系

    早期的DCS系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡都是專用的，DCS有幾級網(wǎng)絡，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。其網(wǎng)絡結構圖如圖二：

圖2 DCS網(wǎng)絡結構圖

    (1) 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，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模件裝在一個機柜內(nèi)或相鄰的機柜內(nèi)。

    (2) 現(xiàn)場總線

    現(xiàn)場總線是90年代初發(fā)展起來的，遠程I/O應該采用現(xiàn)場總線，如CAN、LONWORKS、HART總線等。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，距離控制器機柜比較遠，常把16個變送器來的信號編成一組，用HART總線把信號送到控制器，控制器同時讀進16個變送器來的信號。采用現(xiàn)場總線，控制器和變送器兩者距離可達1公里以上。

    (3) 控制總線

    把完成不同任務的三種控制器連在一條總線上，實現(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，在這一條總線上除三種不同的控制器模件以外，還有DCS網(wǎng)絡的接口模件。在控制總線上，控制器之間可以調用數(shù)據(jù)，使得模擬量和開關量之間的結合很好。控制總線不是DCS系統(tǒng)都具有，可以把各種控制器分別連到DCS網(wǎng)絡上，控制器之間的數(shù)據(jù)調用通過DCS網(wǎng)絡。控制總線的傳輸速率與I/O總線的傳輸速率相類似。通常是幾十K到幾兆之間。當CPU和存儲器的能力比較強時，把開關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，這樣在控制總線上就只有一種形式的控制器。其通訊協(xié)議類似以太網(wǎng)，采用載波監(jiān)聽，令牌廣播發(fā)送。

    (4) DCS網(wǎng)絡

    它把現(xiàn)場控制器和人機界面連成一個系統(tǒng)。為了確保通訊可靠，DCS生產(chǎn)廠家無論是電纜，還是通訊接口，都作成冗余的，一條網(wǎng)絡發(fā)生故障，另一條備用網(wǎng)絡立即投入運行。連在DCS通訊網(wǎng)絡上的部件稱為結點（節(jié)點）。在地理位置上，結點可以分散配置，各結點的距離各DCS系統(tǒng)不同，有的可達幾百米。DCS網(wǎng)絡的傳輸速率在幾百K至一百兆之間，網(wǎng)絡的總長度可達幾公里，最短也有幾百米，網(wǎng)絡不夠長時需加中繼器。

    4、DCS的通訊網(wǎng)絡特性

    DCS中參與網(wǎng)絡通訊的最小單位為結點，發(fā)送信號的源結點把信號進行編碼，然后送到傳輸介質（通訊電纜），最后被接收這一信號的目的結點接收，而要保證在眾多結點之間數(shù)據(jù)合理傳送，還必須將通訊系統(tǒng)構成一定網(wǎng)絡，并且遵循一定的網(wǎng)絡控制方法才能實現(xiàn)，因此說通訊介質、網(wǎng)絡結構和通訊協(xié)議是DCS通訊網(wǎng)絡特性的三要素。

    4.1 通訊介質

    通訊介質又稱為傳輸介質或信道，它是連接網(wǎng)上站或結點的物理信號通路，主要有雙絞線、同軸電纜、光導纖維三種。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。
 
   (1) 雙絞線

    把兩根平行導線按一定節(jié)距絞合在一起的信號線。雙絞線最大帶寬為100KHz―1MHz,，其傳輸速率低于2Mbps，傳輸距離可達15Km或更長。這種把多股導線封裝在屏蔽護套內(nèi)構成一根電纜的結構，能較好地抑制電磁感應干擾，但由于雙絞線有較大的分布電容，故不宜傳輸高頻信號。

    (2) 同軸電纜

    由中心導體，固定中心導體的電介質絕緣層，外屏蔽層導體和外絕緣層構成，它又分基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜兩種，它們的傳輸速率可分別達到10Mbps和50Mbps，傳輸距離為幾公里和數(shù)十公里，同軸電纜的抗干擾性較雙絞線好，它可傳輸高頻和中頻信號。

    (3) 光導纖維

    網(wǎng)絡信息經(jīng)光電轉換器變換成光信號，在光纜中進行傳輸，光信號在光纖中的傳輸速率大約是電信號在銅導線中傳輸速率的2/3，因此光纖纜傳輸?shù)难舆t就大些，但光導纖維不受電磁場的影響，適用于特別惡劣的環(huán)境，由于造價昂貴，目前尚未被廣泛采用。

    4.2 網(wǎng)絡結構形式

    網(wǎng)絡結構又稱網(wǎng)絡拓撲，它是指網(wǎng)絡結點的互連方式，在DCS中通常有總線型、環(huán)型、星型三種。總線型在邏輯上也是環(huán)型的，星型通常只用于小系統(tǒng)。

    (1) 總線型網(wǎng)絡

    總線型網(wǎng)絡結構如圖三示。所有結點都掛接在總線上，為控制通訊，有的設有通訊控制器，采取集中控制方式；有的把通訊控制功能分設在各通訊接口中，稱為發(fā)散控制方式。總線型通訊網(wǎng)絡的性能主要取決于總線的“帶寬”，掛接設備的數(shù)目及總線訪問規(guī)程。總線型網(wǎng)絡結構簡單，系統(tǒng)可大可小，擴展方便，易設置備用部件，安裝費用低，某設備故障不會威脅整個系統(tǒng)，是目前廣泛采用的一種網(wǎng)絡結構。如TDC-3000、Centum CS-3000等為雙總線型網(wǎng)絡。

圖3 總線型網(wǎng)絡

    (2) 環(huán)型網(wǎng)絡

    環(huán)型網(wǎng)絡結構如圖四示。網(wǎng)上所有結點都通過點對點鏈路連接，并構成一封閉環(huán)，工作站通過結點接口單元與環(huán)相連，數(shù)據(jù)沿環(huán)單向或雙向傳輸，當然在雙向傳輸時須考慮路徑控制問題。環(huán)型結構的突出優(yōu)點是結構簡單，控制邏輯簡單，掛接或摘除結點也比較容易，系統(tǒng)的初始開發(fā)成本以及修改費用較低，環(huán)型結構的主要問題是可靠性較差，當結點處理機或數(shù)據(jù)通道出現(xiàn)故障時，會給整個系統(tǒng)帶來威脅，雖可通過增設“旁路通道”或采用雙向環(huán)形數(shù)據(jù)通道等措施加以克服，但增加了系統(tǒng)的復雜性。如Advant-500、MOD-300、INFI-90等采用雙環(huán)冗余網(wǎng)絡。

圖4 環(huán)型網(wǎng)絡

    (3) 星型網(wǎng)絡

    星型網(wǎng)絡結構如圖五示。星的中心為主結點，其他為從結點，網(wǎng)上各從站間交換信息都要通過主站，這種拓撲結構體現(xiàn)了一種集中式通訊控制策略，主結點負責全部信息的協(xié)調和傳輸，一旦發(fā)生故障，殃及整個網(wǎng)絡。為了提高可靠性，主結點采用冗余結構，使系統(tǒng)投資較大。如JX-300等采用星型網(wǎng)絡。

圖5 星型網(wǎng)絡

    4.3 通訊網(wǎng)絡的通訊協(xié)議

    當結點連到DCS的通訊網(wǎng)絡上時，通常有一個網(wǎng)絡接口，控制器把數(shù)據(jù)送到接口，人機界面從網(wǎng)絡接口讀取數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)時應遵循網(wǎng)絡通訊協(xié)議，常用的DCS的通訊控制方式分為令牌廣播式、問詢式和存儲轉發(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，應用都較為廣泛。

    (1) 令牌廣播式協(xié)議

    令牌廣播式由一個結點發(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，加掛上構成一幀所需要的其余字段以發(fā)送信息，網(wǎng)絡上的其他結點都在收聽信息。當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（目的結點）。同時轉發(fā)該幀，直到該幀回到發(fā)送站（源結點），才把該幀釋放。再發(fā)送新令牌。在同一時間內(nèi)只有一個結點在發(fā)送信息，其他都在收聽。這種協(xié)議的特點是只有持有令牌的結點才能發(fā)送信息。令牌廣播式協(xié)議的網(wǎng)絡中，可以連接多個人機界面的結點，在網(wǎng)絡上的結點都是平等的，每一個結點都有機會發(fā)送信息。在環(huán)型和總線型網(wǎng)絡中用得較多，如Beiley INFI-90、Advant-500系統(tǒng)等。

    (2) 問詢式

    問詢式協(xié)議的網(wǎng)絡設有交通指揮器，當人機界面向控制器請求數(shù)據(jù)時，必須通過交通指揮器，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TDC-2000，F(xiàn)isher的Provox，都有交通指揮器。在星型網(wǎng)絡中，人機界面（操作站）可以作為交通指揮器，但它只能連接一個人機界面的結點。由一些回路控制器組成的系統(tǒng)通常都連成星型網(wǎng)絡。

    (3) 存儲轉發(fā)式

    存儲轉發(fā)式協(xié)議是一個結點發(fā)出信息，傳給下一個，這個結點接到信息，必須先存下來，如果自己要，就可以接收下來，如果不需要，就把它轉發(fā)出去。直到需要這個信息的結點為止。然后信息再返回到源結點，才釋放這個信息。這種協(xié)議主要用于環(huán)型網(wǎng)絡中，如Beiley NETWORK-90系統(tǒng)等。

    5、DCS通訊網(wǎng)絡發(fā)展方向

    從DCS系統(tǒng)誕生至今，DCS系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡歷經(jīng)幾代，第一代主要解決一個生產(chǎn)裝置中幾個控制站和一個或幾個操作站之間的數(shù)據(jù)通信問題；第二代DCS則解決多個裝置的DCS互聯(lián)問題；第三代DCS則解決一個工廠的多個車間互聯(lián)及與全廠計算機管理網(wǎng)絡互聯(lián)問題。因此可以預見，未來的DCS系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡將向以下方向發(fā)展：

    (1) DCS系統(tǒng)的通信功能發(fā)展與全廠管理網(wǎng)絡技術向融合，逐漸實現(xiàn)通信網(wǎng)絡由多重化結構向扁平化過渡。

    (2) 實現(xiàn)完整的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信標準，國際標準化組織（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)定了通信過程分段和網(wǎng)絡功能分層，DCS通信標準化或開放性。

    (3) 采用數(shù)字通信技術，控制站內(nèi)采用站內(nèi)通信總線及遠程I/O總線，以及控制站內(nèi)增加PLC、分析儀表及現(xiàn)場智能儀表的接口卡，使DCS與現(xiàn)場儀表之間的接線減少，并對現(xiàn)場儀表進行設備管理，這為DCS的向下兼容并與現(xiàn)場總線通信技術融合。

    (4) 系統(tǒng)的開放性加強，使DCS與CIPS系統(tǒng)的調度層、管理層、決策層進行無縫連接，將DCS的相關信息上傳，使其實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫為上述三層所共用，避免重復建庫，為先進控制和優(yōu)化控制建好平臺，與上層的關系數(shù)據(jù)庫共享數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)管控一體化。

    6、結束語

    在21世紀的信息時代，DCS即將迎來一個嶄新的未來，從而使企業(yè)實現(xiàn)真正意義上的管控一體化，為建立現(xiàn)代化企業(yè)打下堅實的基礎。

    參考文獻

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