浅谈DCS控制系统中的通信技术

        从DCS控制系统的级成结构看可以分为三大部分：带I/O部件的控制器、通讯网络和人机接口(HSI)。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。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。

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。这称为I/O总线。I/O板相互之间并不交换数据。I/O总线的速率是不高的。从几十K到几兆不等。这与计算机技术的发展情况有关。80年代初是20K，80年代中期是40K、80年代末期是80K，90年代是几兆。为了快速，最好是并行总线。采用并行总线，其I/O模件必需与控制器模件相邻。采用串行总线的情况下，I/O板和控制器之间的距离也要比较近才行。最好把控制器模件和I/O模件装在一个机柜内或相邻的机柜内。远程I/O应该采用现场总线。如CAN、LONWORKS、HART总线等。现场总线是90年代初发展起来的。在I/O板中从硬件来说应该有能接收现场总线来的信号的输入、输出板。从软件来说在控制器中应该有读取和写到现场总线信号的功能块。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，离控制器机柜距璃比较远，把16个变送器来的信号编成为一组，用HART总线把信号送到控制器，空制器同时读进16个变送器来的信号。控制器和变送器两者距离可达1公里以上。在从美国、欧洲进口的DCS系统中，几乎都有HART协议板。实际应用中，远程信号是比较多的。如水泥厂，回转窑的窑头与窑尾，两者距离有几百米，如果在网络上设两个结点，需要两套结点的接口模件，接口模件的费用比较高，如果设一个结点，在地理位置上不管结点安排是在窑头还是窑尾，都需要采用远程I/O。

第二级网络是控制器之间的通讯，把完成不同任务的三种控制器连在一条总线上，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。控制总线不是每一种DCS系统都有的，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要通过DCS网络。控制总线的速率情况与I/O总线的情况相类似。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。在控制总线上就只有一种形式的控制器。其协议采用载波监听，广播发送，类似以太网的协议。

第三级是DCS网络。它把现场控制器和人机界面连成一个系统。为了确保通讯成功，DCS生产厂家无论是电缆，还是通讯口，都把它们做成冗余的。一条网络发生故障，另一条备用网络立即投入运行。备用方式各种DCS有别。如美国的LEEDS—NORTHROP的MAX-1系统采用冗余两环信息正向和反向同时运行。有的系统一个环在运行，另一个等待。


       

连在DCS通讯网络上的部件称为结点。在地理位置上，结点可以分散配置，各结点之间的距离各DCS系统不同。有的可达几百米。传输速率在几百K至一百兆之间。10兆是常用的速率。DCS网络的总长度可达几公里，最短也有几百米，网络不够长时要加中继器。

三种总线的通讯协议是由各DCS生产厂家自行开发的，通讯协议是不公开的。

DCS网络的结构形式大致是三种，分别是总线形、环形和星形。星形结构通常只用于小系统。通讯协议有令牌广播式，问询式和存储转发式。问询式协议的网络要有交通指挥器。所有人机界面要向控制器请求数据时，必需通过交通指挥器，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TDC2000，FISHER的PROVOX，都有交通指挥器。在星形网络中，人机界面(操作站)可以作为交通指挥器。它只能连接一个人机界面的结点。把它作为操作站。网络的覆盖面也比较小。由一些回路控制器组成的系统通常都连成星形网络。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，网络上的其它结点都在接收信息。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。同时转发该帧，直到该帧回到发送站，才把该帧释放。再发送新令牌。这种协议的特点是持有令牌的结点才能发送信息。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。如美国BAILEY的INFI90 90是令牌广播网。存储转发协议是一个结点发出信息，传给下一个，这个结点接到信息，必需先存下来，如果自己要，就可以接收下来，如果不需要，就把它转发出去。直至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。这种协议用于环形网络中。这种环形网络可以长达几公里。如美国BAILEY的NETWORK 90的厂区环路就是这样的网络。不管什么结构形式的网络，连到网络上的结点的总数是有限制的，至于什么样的结点，有几个，它是不受限制的。

在DCS网络中，数据传输是以信息帧的形式传输的。它是同步发送星息。半双工发送。双工发送的极少。每一帧信息都有信息头，信息尾，信息帧中紧跟首旗的是地址，其中包括信号发出的结点的源地址，如结点号、模件号、功能块号以及接收信息的结点的目的地址，如结点号、模件号和功能块地址。信息帧的中间是数据，再后面是校验。校验最多的是采用循环冗余校验。CRC码是一种高效能的检错和纠错码。数据在传输过程中，可以是一帧，也可以是两帧，如果是两帧，头帧是旗，第二帧才是数据。最长的一帧信息可长达200多个字节。采用存储转发协议的网络中，当一个结点发生故障时，把这个结点旁通，让信息通过。