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    1、前言

    分散型控制系統（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。隨著現代計算機和通訊網絡技術的高速發展，DCS正向著多元化、網絡化、開放化、集成管理方向發展，使得不同型號的DCS可以互連，進行數據交換，并可通過以太網將DCS系統和工廠管理網相連，實現實時數據上網，成為過程工業自動控制的主流。

    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、通訊網絡和人機接口（HMI）。控制器I/O部件直接與生產過程相連，接收現場設備送來的信號；人機接口是操作人員與DCS相互交換信息的設備；通訊網絡將控制器和人機接口聯系起來，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”；通訊網絡則是“神經網絡”。DCS的典型結構如圖一：

圖1 DCS的典型結構

    3、DCS的通訊網絡

    3.1 發展歷程

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

    (1) 1975―1980 初創期。此時的DCS通訊系統只是一種初級局部網絡，全系統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。采用局域網絡，由主從式星型網絡轉變成對等式的總線網絡通信或環網通信，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。在局域網絡方面采用國際標準組織ISO的OSI開放系統互聯的參考模型，使符合開放系統的各制造廠的產品可以互連，互通信以及進行數據交換，第三方軟件以可以應用。改變了過去DCS各廠自成系統的封閉結構，DCS由原來的僅能應用發展到不僅能應用而且能開發。TDC-3000（帶UCN網）Centum XL等。

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

    3.2 通訊網絡的特點

    通訊網絡是DCS的重要支柱，執行分散控制的各單元以及各級人機接口要靠通訊系統連成一體，這種在局部區域內使用各種數據通訊的設備互連的通訊網絡稱為局域網（LAN）。它是一個高通訊速率，低誤碼率，快速響應的局部網絡，具有組織靈活，易于擴展，資源共享的特點，然而DCS完成的是工業控制，因此它與一般的辦公室用局部網絡有所不同，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、準確運行，數據傳送誤碼率低于10-8―10-11，系統利用率在99.999%以上

    (3) 適合于在惡劣環境下工作，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，其通訊網絡也必須具有分層結構，如分為現場總線，車間級網絡系統，工廠級網絡系統等不同層次。

    3.3 通訊網絡的分級體系

    早期的DCS系統的通訊網絡都是專用的，DCS有幾級網絡，完成不同模件之間的通訊。從目前的情況來看，DCS的最多網絡級有四級，它們分別是I/O總線、現場總線、控制總線和DCS網絡。其網絡結構圖如圖二：

圖2 DCS網絡結構圖

    (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據。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或相鄰的機柜內。

    (2) 現場總線

    現場總線是90年代初發展起來的，遠程I/O應該采用現場總線，如CAN、LONWORKS、HART總線等。在DCS系統中，遠程I/O采用HART總線比較多。比如現場的變送器，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網絡的接口模件。在控制總線上，控制器之間可以調用數據，使得模擬量和開關量之間的結合很好。控制總線不是DCS系統都具有，可以把各種控制器分別連到DCS網絡上，控制器之間的數據調用通過DCS網絡。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。其通訊協議類似以太網，采用載波監聽，令牌廣播發送。

    (4) DCS網絡

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

    4、DCS的通訊網絡特性

    DCS中參與網絡通訊的最小單位為結點，發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據合理傳送，還必須將通訊系統構成一定網絡，并且遵循一定的網絡控制方法才能實現，因此說通訊介質、網絡結構和通訊協議是DCS通訊網絡特性的三要素。

    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

    網絡信息經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，因此光纖纜傳輸的延遲就大些，但光導纖維不受電磁場的影響，適用于特別惡劣的環境，由于造價昂貴，目前尚未被廣泛采用。

    4.2 網絡結構形式

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

    (1) 總線型網絡

    總線型網絡結構如圖三示。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，稱為發散控制方式。總線型通訊網絡的性能主要取決于總線的“帶寬”，掛接設備的數目及總線訪問規程。總線型網絡結構簡單，系統可大可小，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，是目前廣泛采用的一種網絡結構。如TDC-3000、Centum CS-3000等為雙總線型網絡。

圖3 總線型網絡

    (2) 環型網絡

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

圖4 環型網絡

    (3) 星型網絡

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

圖5 星型網絡

    4.3 通訊網絡的通訊協議

    當結點連到DCS的通訊網絡上時，通常有一個網絡接口，控制器把數據送到接口，人機界面從網絡接口讀取數據，讀取數據時應遵循網絡通訊協議，常用的DCS的通訊控制方式分為令牌廣播式、問詢式和存儲轉發式三種，通訊協議是由各DCS生產廠家自行開發的，一般不公開。它們各有特點，應用都較為廣泛。

    (1) 令牌廣播式協議

    令牌廣播式由一個結點發出一個令牌（令牌是特別的比特組，比特組內無源地址和目的地址），令牌沿環繞行。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送信息，網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）。同時轉發該幀，直到該幀回到發送站（源結點），才把該幀釋放。再發送新令牌。在同一時間內只有一個結點在發送信息，其他都在收聽。這種協議的特點是只有持有令牌的結點才能發送信息。令牌廣播式協議的網絡中，可以連接多個人機界面的結點，在網絡上的結點都是平等的，每一個結點都有機會發送信息。在環型和總線型網絡中用得較多，如Beiley INFI-90、Advant-500系統等。

    (2) 問詢式

    問詢式協議的網絡設有交通指揮器，當人機界面向控制器請求數據時，必須通過交通指揮器，由交通指揮器來向控制器請求數據，控制器才能發送信息給人機界面。如Honeywell的TDC-2000，Fisher的Provox，都有交通指揮器。在星型網絡中，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通常都連成星型網絡。

    (3) 存儲轉發式

    存儲轉發式協議是一個結點發出信息，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。這種協議主要用于環型網絡中，如Beiley NETWORK-90系統等。

    5、DCS通訊網絡發展方向

    從DCS系統誕生至今，DCS系統通訊網絡歷經幾代，第一代主要解決一個生產裝置中幾個控制站和一個或幾個操作站之間的數據通信問題；第二代DCS則解決多個裝置的DCS互聯問題；第三代DCS則解決一個工廠的多個車間互聯及與全廠計算機管理網絡互聯問題。因此可以預見，未來的DCS系統通訊網絡將向以下方向發展：

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

    (2) 實現完整的統一的數據通信標準，國際標準化組織（ISO）提出的開放系統互聯（OSI）參考模型即ISO/OSI 7層模型，規定了通信過程分段和網絡功能分層，DCS通信標準化或開放性。

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

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

    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，從而使企業實現真正意義上的管控一體化，為建立現代化企業打下堅實的基礎。

    參考文獻

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