DCS控制系統中的三種總線(xiàn)的通訊協(xié)議

從DCS控制系統的級成結構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)?？刂破鱅/O部件直接與生產(chǎn)過(guò)程相連，接收現場(chǎng)設備送來(lái)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(luò )將控制器和人機接口聯(lián)系起來(lái)，形成一個(gè)有機的整體。早期的DCS系統的通訊網(wǎng)絡(luò )都是專(zhuān)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(lái)看，DCS的最多網(wǎng)絡(luò )級有四級，它們分別是I/O總線(xiàn)、現場(chǎng)總線(xiàn)、控制總線(xiàn)和DCS網(wǎng)絡(luò )。

I/O總線(xiàn)，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(chēng)為I/O總線(xiàn)。I/O板相互之間并不交換數據。I/O總線(xiàn)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(xiàn)。采用并行總線(xiàn)，其I/O模件必需與控制器模件相鄰。采用串行總線(xiàn)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(gè)機柜內或相鄰的機柜內。遠程I/O應該采用現場(chǎng)總線(xiàn)。如CAN、LONWORKS、HART總線(xiàn)等?，F場(chǎng)總線(xiàn)是90年代初發(fā)展起來(lái)的。在I/O板中從硬件來(lái)說(shuō)應該有能接收現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)的信號的輸入、輸出板。從軟件來(lái)說(shuō)在控制器中應該有讀取和寫(xiě)到現場(chǎng)總線(xiàn)信號的功能塊。在DCS系統中，遠程I/O采用HART總線(xiàn)比較多。比如現場(chǎng)的變送器，離控制器機柜距璃比較遠，把16個(gè)變送器來(lái)的信號編成為一組，用HART總線(xiàn)把信號送到控制器，空制器同時(shí)讀進(jìn)16個(gè)變送器來(lái)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(jìn)口的DCS系統中，幾乎都有HART協(xié)議板。實(shí)際應用中，遠程信號是比較多的。如水泥廠(chǎng)，回轉窯的窯頭與窯尾，兩者距離有幾百米，如果在網(wǎng)絡(luò )上設兩個(gè)結點(diǎn)，需要兩套結點(diǎn)的接口模件，接口模件的費用比較高，如果設一個(gè)結點(diǎn)，在地理位置上不管結點(diǎn)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(xiàn)上，稱(chēng)為控制總線(xiàn)。在控制總線(xiàn)上的不同控制器的數量不受限制。在這一條總線(xiàn)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(xiàn)上，控制器之間可以調用數據。使得模擬量和開(kāi)關(guān)量之間的結合很好?？刂瓶偩€(xiàn)不是每一種DCS系統都有的，可以把各種控制器分別連到DCS網(wǎng)絡(luò )上?？刂破髦g的數據調用要通過(guò)DCS網(wǎng)絡(luò )?？刂瓶偩€(xiàn)的速率情況與I/O總線(xiàn)的情況相類(lèi)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(shí)，把開(kāi)關(guān)量的邏輯運算和模擬量的采集功能都在一個(gè)控制器中完成。在控制總線(xiàn)上就只有一種形式的控制器。其協(xié)議采用載波監聽(tīng)，廣播發(fā)送，類(lèi)似以太網(wǎng)的協(xié)議。

第三級是DCS網(wǎng)絡(luò )。它把現場(chǎng)控制器和人機界面連成一個(gè)系統。為了確保通訊成功，DCS生產(chǎn)廠(chǎng)家無(wú)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系統采用冗余兩環(huán)信息正向和反向同時(shí)運行。有的系統一個(gè)環(huán)在運行，另一個(gè)等待。

連在DCS通訊網(wǎng)絡(luò )上的部件稱(chēng)為結點(diǎn)。在地理位置上，結點(diǎn)可以分散配置，各結點(diǎn)之間的距離各DCS系統不同。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(cháng)度可達幾公里，最短也有幾百米，網(wǎng)絡(luò )不夠長(cháng)時(shí)要加中繼器。

三種總線(xiàn)的通訊協(xié)議是由各DCS生產(chǎn)廠(chǎng)家自行開(kāi)發(fā)的，通訊協(xié)議是不公開(kāi)的。

DCS網(wǎng)絡(luò )的結構形式大致是三種，分別是總線(xiàn)形、環(huán)形和星形。星形結構通常只用于小系統。通訊協(xié)議有令牌廣播式，問(wèn)詢(xún)式和存儲轉發(fā)式。問(wèn)詢(xún)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據時(shí)，必需通過(guò)交通指揮器，由交通指揮器來(lái)向控制器請求數據?？刂破鞑拍馨l(fā)送信息給人機界面。如 HONEYWELL的TDC2000，FISHER 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(gè)人機界面的結點(diǎn)。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通常都連成星形網(wǎng)絡(luò )。令牌廣播式由一個(gè)結點(diǎn)發(fā)出一個(gè)令牌(令牌是特別的比特組，比特組內無(wú)源地址和目的地址)，令牌沿環(huán)繞行。拿到這個(gè)令牌的結點(diǎn)就改變令牌中一個(gè)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(luò )上的其它結點(diǎn)都在接收信息。當本站檢測到幀的目的地址與本站地址相符時(shí)，就接收該信息幀。同時(shí)轉發(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(diǎn)是持有令牌的結點(diǎn)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(gè)人機界面的結點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò )上的結點(diǎn)都是平等的。每一個(gè)結點(diǎn)都有機會(huì )發(fā)送信息。如美國 BAILEY的INFI9090是令牌廣播網(wǎng)。存儲轉發(fā)協(xié)議是一個(gè)結點(diǎn)發(fā)出信息，傳給下一個(gè)，這個(gè)結點(diǎn)接到信息，必需先存下來(lái)，如果自己要，就可以接收下來(lái)，如果不需要，就把它轉發(fā)出去。直至到需要這個(gè)信息的結點(diǎn)為止。然后信息再返回到源結點(diǎn)，才釋放這個(gè)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(cháng)達幾公里。如美國B(niǎo)AILEY的NETWORK90的廠(chǎng)區環(huán)路就是這樣的網(wǎng)絡(luò )。不管什么結構形式的網(wǎng)絡(luò )，連到網(wǎng)絡(luò )上的結點(diǎn)的總數是有限制的，至于什么樣的結點(diǎn)，有幾個(gè)，它是不受限制的。

在DCS網(wǎng)絡(luò )中，數據傳輸是以信息幀的形式傳輸的。它是同步發(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)出的結點(diǎn)的源地址，如結點(diǎn)號、模件號、功能塊號以及接收信息的結點(diǎn)的目的地址，如結點(diǎn)號、模件號和功能塊地址。信息幀的中間是數據，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。數據在傳輸過(guò)程中，可以是一幀，也可以是兩幀，如果是兩幀，頭幀是旗，第二幀才是數據。最長(cháng)的一幀信息可長(cháng)達200多個(gè)字節。采用存儲轉發(fā)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )中，當一個(gè)結點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，把這個(gè)結點(diǎn)旁通，讓信息通過(guò)。