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浅谈分散型控制系统的通讯网络

供稿:653A294E-B5E1-4E23-9DC7-BFE7D2FF483E 2003/11/24 0:00:00

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1 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 DCS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(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:



3 DCS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) 1975—1980 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) 1980—1985 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) 1985—1990 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)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10-8—10-11,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:



(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,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,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) 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 DCS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100KHz—1MHz,,其传输速率低于2Mbps,传输距离可达15Km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结构。如TDC-3000、Centum CS-3000等为双总线型网络。(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-300、INFI-90等采用双环冗余网络。(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。

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

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