论文：DCS通讯网络的概述

DCS通讯网络的概述何涛建筑电气与智能化092摘要：本文介绍了DCS的通讯网络的概况和特点，并对美国的Bailey的DCS的通讯网络进行了简要的说明，还有对DCS通信网络发展方向进行了一个预估。

关键词：DCS I/O总线控制总线，DCS网络，DCS的通讯网络，DCS现场总线1.引言DCS（分散型控制系统）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[1]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（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。

3.DCS的通讯网络[2]美国Bailey的DCS通讯网络主要是3级，分别是：子总线（Slave Bus）相当于上面所述的I/O总线、控制通道（Controlway）即控制总线和Cnet（Control Network）即DCS网络。

(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。

采用的是一并行的，以500Kbaud通讯，并支持控制器模件配置的相关64个子模件的总线，控制器模件和I/O模件在一个机柜内。

(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。

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。

控制通道是一串行的，以1Mbaud通信，并支持32个智能处理器模件的冗余总线结构。

并通过NPM（网络处理模件）和NIS（网络接口子模件）与Cnet相连。

该总线采用自由竞争式协议。

(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。

采用的Cnet是采用存储转发式协议的拥有19个节点的冗余的环型网络。

4.DCS的通讯网络特性[3]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。

通讯介质主要有双绞线、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。

在DCS中通常有总线型、环型、星型三种网络结构。

总线型在逻辑上也是环型的，星型通常只用于小系统。

如TDC-3000、Centum CS-3000等为双总线型网络;Advant-500、MOD-300、INFI-90等采用双环冗余网络;JX-300等采用星型网络。

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。

如Beiley INFI-90、Advant-500系统等使用令牌转发式协议；Honeywell的TDC-2000，Fisher的Provox采用问询式；存储转发式协议主要用于环型网络中，如Beiley NETWORK-90系统等。

下面为DCS系统通信网络主要结构，数据一览表：名称环行网络控制通道子总线容量250个节点32个智能模件64个子模件速率10M波特率1M波特率500KHZ介质同轴/光纤印刷电路板印刷电路板节点距离2000~4000M 本机柜本机柜5.现场控制总线的特点[4](1)全数字化通信现场总线系统是一个“纯数字”系统，而数字信号具有很强的抗干扰能力，所以，现场的噪声及其他干扰信号很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号，数字信号的完整性使得过程控制的准确性和可靠性更高。

(2)一对N结构一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号。

这种一对N结构使得接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易。

如果增加现场设备或现场仪表，只需并行挂接到电缆上，无须架设新的电缆。

(3)可靠性高数字信号传输抗干扰强，精度高，无须采用抗干扰和提高精度的措施，从而降低了成本。

(4)可控状态操作员在控制室既可了解现场设备或现场仪表的工作情况，也能对其进行参数调整，还可预测或寻找故障。

整个系统始终处于操作员的远程监视和控制，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。

(5)互换性用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备或现场仪表，并将不同品牌的仪表互联。

即使某台仪表发生故障，换上其他品牌的同类仪表也能照常工作，实现了“即接即用”。

(6)互操作性用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成其所需的控制回路，而不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。

(7)综合功能现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，满足了用户需求，而且降低了成本。

(8)分散控制控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表即可构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。

(9)统一组态由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所有制造商都使用相同的功能块，并统一组态方法，使组态变得非常简单，用户不需要因为现场设备或现场仪表种类不同而带来的组态方法的不同，再去学习和培训。

(10)开放式系统现场总线为开放互联网络，所有技术和标准全是公开的，所有制造商必须遵循。

这样，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可极其方便地共享网络数据库。

6.DCS通讯网络发展方向从DCS系统诞生至今，DCS系统通讯网络历经几代，第一代主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题；第二代DCS则解决多个装置的DCS 互联问题；第三代DCS则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联问题。

因此可以预见，未来的DCS系统通讯网络将向以下方向发展：(1) DCS系统的通信功能发展与全厂管理网络技术向融合，逐渐实现通信网络由多重化结构向扁平化过渡。

(2) 实现完整的统一的数据通信标准，国际标准化组织（ISO）提出的开放系统互联（OSI）参考模型即ISO/OSI 7层模型，规定了通信过程分段和网络功能分层，DCS通信标准化或开放性。

(3) 采用数字通信技术，控制站内采用站内通信总线及远程I/O总线，以及控制站内增加PLC、分析仪表及现场智能仪表的接口卡，使DCS与现场仪表之间的接线减少，并对现场仪表进行设备管理，这为DCS的向下兼容并与现场总线通信技术融合。

(4) 系统的开放性加强，使DCS与CIPS系统的调度层、管理层、决策层进行无缝连接，将DCS的相关信息上传，使其实时数据库、历史数据库为上述三层所共用，避免重复建库，为先进控制和优化控制建好平台，与上层的关系数据库共享数据，真正实现管控一体化。

7.结论在21世纪的信息时代，DCS即将迎来一个崭新的未来，从而使企业实现真正意义上的管控一体化，为建立现代化企业打下坚实的基础。

参考文献：[1] 杨明福.计算机网络技术[M].北京：经济科学出版社.[2] 侯朝桢.分布式计算机控制系统[M].北京：北京理工大学出版社[3] 张新薇.集散系统基础及其应用[M].北京：冶金工业出版社[4] 刘翠玲.集散控制系统[M]北京：中国林业出版社，北京大学出版社。