集散控制系统：第三节 DCS的通信网络与系统特性

1、1.2 DCS的通信网络与系统特性 集散型控制系统通信网络的作用是互联DCS系统中的各种通信设备。它完成的是工业控制，因此，与一般的办公室用局部网络有所不同，DCS的通信网络应具有以下特点： 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26s，而它要求0.010.5s。 具有极高的可靠性: 必须连续、准确的运行，数据传送误码率应达到：10 -1110 -8。系统利用率在99.999%以上。 适应恶劣环境下工作: 能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰和接地电位差干扰。 1.2 DCS的通信网络与系统特性 分层结构: 为适应集散系统的分层结构，其通信网络也必须具有分层结构，例如分为

2、现场总线、车间级网络系统和工厂级网络系统等不同层次。集散系统中参加网络通信的最小单位称为节点。发送信号的源节点对信息进行编码，然后送到传输介质（通信电缆），最后被接收这一信息的目的节点接受。 DCS网络的三要素是： -要保证在众多节点之间数据的合理传送； -必须将通信系统构成一定的网络； -遵循一定网络结构的通信方式。1.2.1 通信介质 通信介质又称传输介质或信道，是连接网上站或节点间信号传输的物理通路。它主要有双绞线、同轴电缆和光缆三种。此外还有无线信道等。图1.3为部分通信介质。图1.3 通信介质1.2.1 通信介质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称为双绞线，如图

3、1.3(a)所示。由磁场干扰引起的感应电流，在处于相邻绞线回路的两根导线上方向相反，互相抵消，从而能较好地抑制电磁感应的干扰。 双绞线频带宽为15kHz或更宽。双绞线的价格比同轴电缆低得多。 通常会把多股导线封装在屏蔽护套内构成一根电缆，见图1.3(b)。 由于双绞线有较大的分布电容，故不宜传输高频信号。1.2.1 通信介质2. 同轴电缆 同轴电缆结构如图1.3（c）所示，由中心导体、固定中心导体的电介质绝缘层、外屏蔽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10 Mbps和50 Mbps,传输距离为几km。同轴电缆的抗干扰性能比双绞线好，可以传输中频和

4、高频信号。安装时，若外层圆筒形导体弯曲或变形，则电缆阻抗容易改变，致使信号衰减。因此，在使用中对于不同尺寸的同轴电缆，都应按它规定的最小弯曲半径和最大长度进行连接；连接时都需要用专用接头，以实现阻抗匹配。同轴电缆成本介于双绞线和光缆之间。 1.2.1 通信介质3. 光缆 网络信息也可经光电转换器变成光信号，在光缆中进行传输。光信号在光纤中的传输速度大约是电信号在铜导线中传输速度的2/3，因此光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；此外，它重量轻，体积小，安装较为简单。由于光纤造价的不断降低，目前逐渐被广泛应用。1.2.2 网络结构 网络结构又称网络拓扑，是指网络

5、节点的互连方式。通常有星行、环形、总线型、树形及组合型等五种网络结构。1. 星形网络 星形网络结构如图1.4所示。星形的中心为主节点，其它为从节点。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信控制策略，主节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。为提高可靠性，主节点采用冗余结构，使系统投资较大。1.2.2 网络结构 2. 环形网络 环形网络结构如图1.5所示，网上所有节点都通过点对点链路连接，首尾相连，构成环形。工作站通过节点接口与环相连，数据沿环单向或双向传输。 环形结构的突出优点是结构及控制逻辑简单，挂接或摘除节点也比较容易，系统的初始开发成本及修改费

6、用较低。环形结构的主要问题是可靠性较差，当节点处理或数据通道出现故障时，会给整个系统带来威胁。这一缺陷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。1.2.2 网络结构 图1.4 星形网络结构 图1.5 环形网络结构1.2.2 网络结构 3. 总线型网络 总线形网络结构如图1.6（a）所示。网上所有节点都在总线上。有的总线形网络设有控制器，采取集中控制方式来进行通信控制(RS-485)；有的则把通信控制功能分设在各通信接口中，称为发散控制方式（CAN）。总线型通信网络的性能主要取决于总线的带宽、挂线设备的数目以及总线访问规程。总线型网络结构简单，系统可大可小，

7、扩展方便，备用部件设置容易，安装费用低。当某设备发生故障时，不会威胁整个网络系统，而是降级使用，继续工作。它也是目前广泛采用的一种网络结构。4. 树形网络结构 树形网络结构如图1.6(b)所示 1.2.2 网络结构 图1.6 总线型和树形网络结构 1.2.2 网络结构 5组合网络结构 在比较大的集散系统中，为提高其适用性，常把几种网络结构合理地运用于一个系统中，发挥各自的优点。图1.7(a)是环形和总线型相结合的网络结构，图1.7(b)是总线型和星形相结合的网络结构。 1.2.2 网络结构 图1.7 组合网络结构 1.2.3 通信控制方式各个站通过网络传送信息的基本关系是：发送站将信息送上网络

8、，接收站从网上读取信息。为快速而准确地实现这些对网络的存取访问过程，要有合理的通信控制方式。通信控制方式分为广播式和存储转发式两种，各有特点，应用都较广泛。1. 广播式 广播式通信方式是指在同一时间内只有一个节点发送信息，其它都在收听。这种方式在环形和总线型网络中应用较多。广播式协议根据发送信息的方式不同，又分为自由竞争式、通行标记式（令牌传递式）和时间分槽式三种。1.2.3 通信控制方式 自由竞争式 自由竞争式是各站自由发送信息，遇有冲突时，各站都退回，经随机延时后重发信息。这种方式可靠性比较高，但软件比较复杂，且网络利用率不高，适用于轻载网络。 通行标记式 通行标记式又称令牌式，接到“令牌

9、”的节点方能发送信息，发送完毕须将“令牌” 附在信息包的后面，传送给下一个节点。由于令牌方式不发生冲突，因此实时性好；此外，网络重载时能自动缓发优先级别较低的信息，使通信效率提高。但是令牌方式控制比较复杂，网络扩展时须重新配置，所以可靠性差。 1.2.3 通信控制方式 时间分槽式 时间分槽式是把一个规定的时间间隔分成若干时间槽，各站在相应的时间槽内发送信息。每个节点可以占有一个或多个时间槽，但信息的传送严格限制在属于该点的时间槽内；一旦时间槽结束，节点必须停止发信，而让位于下一节点。 1.2.3 通信控制方式2. 存储转发式 存储转发式是首先把源节点进来的信息存储起来，等到本节点的信息发送完毕

10、，再转发这个信息，依次传送，直至到达目的节点。这种网络允许同时有多个节点发送、接收信息，不需要通信指挥器。它延时少、利用率高，常用于环形网络中。在环形网络中，存储转发式在每一个节点上发生，目标节点在收到所需的信息后，在信息上加一个确认码，然后把信息放回环路，继续传送。当源节点接到确认码后才取消信息；如果收到否认码，则源节点启动重发逻辑，信号重发。 1.2.4 TDC3000的系统特性TDC3000是美国Honey Well 公司在其早期推出的TDC2000的基础上扩充发展起来的，其中有两次较大的技术更新。第一次推出了TDC3000(LCN)，使系统增加了过程管理层，原来的TDC2000改为TD

11、C3000BASIC并与之兼容；另一次是推出了TDC3000(UCN)，增加了万能控制网UCN、万能操作站UWS、过程管理站PM、先进多功能控制器AMC和智能变送器ST3000等新产品，使系统在控制功能、现场传送智能化、开放式通信网络和综合信息管理等方面进一步得到加强。其结构如图1.8所示。下面主要介绍LCN 和UCN网络。 1.2.4 TDC3000系统特性图1.8 TDC3000总体构成图1.2.4 TDC3000系统特性 1. TDC3000LCN网络特性 TDC3000 LCN要与TDC3000 UCN或TDC3000BASIC联用，进行综合分析和管理。这一部分包括局部控制网络LCN(

12、Local Control Network)、高速通道接口HG (High Gateway)、万能操作站US(Universal Station)、应用模块AM(Application Module)、历史模块HM(History Module)、计算机接口CG(Computer Gateway)、计算机模块CM50S、LCN扩展器接口NIM(Network Interface Module)和万能工作站UWS(Universal Work Station)。 1.2.4 TDC3000系统特性局部控制网络LCN 与LCN相连的设备称为节块、节点（node），最多64台，最多接10个HG。LC

13、N是一短程高速通信链路，一般为控制室内各节点通信用。其通信速度为5 MB/s，距离不大于300m。通过扩展器LCNE可对局部控制网络进行扩展，扩展后最多可连接96个模件，最远距离可达4.9km。LCN由同轴电缆、连接器、终端连接器以及位于每一模块和通道处的LCN接口板组成。1.2.4 TDC3000系统特性高速数据通道接口HG HG是TDC3000BASIC系统高速数据通道HW和LCN间数据传输和格式变换的双向接口门，主要作用是信息转换、匹配、诊断、报警和时间同步。TDC3000BASIC系统上连接有多功能控制器（MC）、先进多功能控制器（AMC）、过程接口单元（PIU）、增强型操作站（EOS

14、）和上位计算机等设备。1.2.4 TDC3000系统特性HW和LCN都采用同轴电缆和串行通信，但通信控制方式并不一致。HW是采用“命令-响应”的应答式信息交换技术，传输速率为250KB/s；LCN采用令牌式广播通信协议，传输速率为5MB/s。HW和LCN间的信息传递要靠HG起桥接作用。 HW除了完成信息转换和匹配的功能，HG每0.5s对全部HW设备的自诊断结果和用户设定的报警点进行一次扫描，并将结果报告给万能操作站US。除了上述功能以外，HG本身还具有数据管理功能。HG中存放的数据和HW上各控制器（如AMC）中所存的数据合起来构成一个完整的数据库，用户可利用这些数据来完成各种不同的控制要求。H

15、G作为HW上的优先设备，也要占用一个HW地址。HG一般采用双重化冗余配置。 1.2.4 TDC3000系统特性万能操作站US由彩色CRT、键盘、打印机和软盘驱动器构成，是TDC3000系统的主要人-机接口。它为操作人员提供对生产过程的监视、操作和控制的功能，并进行报警、报表和趋势打印；为工程提供网络组态、数据库、动态流程的建立以及自由报表、控制程序的编制；为维护人员提供硬件显示、故障诊断、故障信息显示及打印。由监视器和带有用户定义的功能键的键盘组成实时操作接口，把从过程子系统和装置、系统中的模块和工厂级计算机等各个方面采集来的数据，连续地显示在屏幕上，以满足操作员的要求。具体来讲，它可以完成如

16、下任务： -监测和控制过程与系统； -通过组态实现控制方案； -生成系统数据库、用户画面和报告； -检测和诊断故障，维护控制室和生产过程中的设备； -评估工厂运行性能和操作员效率。 1.2.4 TDC3000系统特性 应用模块AMAM用专用控制语言（CL）编程，实现用户算法和控制系统的连接，完成高级控制策略以扩大过程控制单元的功能。每一应用模块能高速度地处理多达1500个回路的信息。为了加强处理能力，必要时还可冗余配置多个应用模块，以提高可靠性。可以对过程控制器（如过程管理站PM、先进过程管理站APM、逻辑管理站LM和数据高速通道上的控制器HG）上的数据进行综合，完成多单元控制策略，进行复杂运

17、算。 它主要有以下作用： 1.2.4 TDC3000系统特性 -简化控制策略的实施 AM能通过组态提供控制方案。直接采集过程数据，供进一步加工信息。 -改变控制程序 用户可以用应用模块AM的控制语言来实现除内置算法以外的用户算法以便适应不同装置的不同控制系统。AM上还提供优化应用软件的软件工具包，例如回路自整定软件包Loop Tune-II、预估控制软件包HPC(Horizon Predictive Control)和实时质量控制软件包（Real-Time SPQC-II）。 -高安全性 通过应用模块AM的冗余配置，可以保证先进控制策略的连续性。冗余的应用模块AM还能通过对断点数据保护来保持其

18、数据库与主应用模块数据库的一致。1.2.4 TDC3000系统特性图1.8 TDC3000总体构成图1.2.4 TDC3000系统特性(5) 计算机接口CG它是LCN网络和用户选择的计算机的接口，通过它可以使TDC3000系统和非Honey Well的计算机相连，以实现最优化或是实施比应用模块AM中范围更广、更高级的控制。其主要功能是为LCN和上位机提供接口，使上位机能通过CG进行实时数据和历史数据的采集和存储。此外，CG同LCN上其它通道如HG、NIM一样，也有一个数据库，存有控制接口数据和计算结果数据。CG的两种主要功能是： - 允许用户选择的计算机经LCN对系统中的数据进行存取，也使得用

19、户选择的计算机的信息可被系统采用。 - 在CG和用户选择的计算机之间作为串行通信链。 1.2.4 TDC3000系统特性CG上的数据是在双串行通信链上进行交换，速率可达72KB/s。通常情况下，其中的一个链负责将信息从CG传到计算机，另一个链则负责将信息从计算机传到CG。两个链路构成冗余配置，其中一个链失效，另一个链将负责双向传送全部信息。 1.2.4 TDC3000系统特性(6) 计算机模块CM50s 这是一个LCN网络的标准模块。是DEC计算机公司的VAX计算机或Micro VAX计算机与LCN网络连接的专用接口。上位机通过CM50s实现和LCN网络进行实时数据和历史数据的交换。由于VAX

20、上位计算机实现主要的计算功能，使LCN网络可以完成控制过程的建模和仿真计算，实现对过程的优化控制。VAX系统能完成对全厂范围的非过程信息系统进行管理和全厂范围的计算机联网，使TDC3000系统作为上级网络中的一个节点。 1.2.4 TDC3000系统特性(7) 网络接口模块NIM 它是LCN网络与UCN网络之间的接口，提供了LCN网络与UCN网络的通信及协议间的相互转换。它使LCN网上的模块能访问UCN网络上的设备，并能够完成将LCN上的程序和数据库装载到APM等UCN设备上；也可将NIM收集的设备报警等信息传送到LCN网络上。 1.2.4 TDC3000系统特性(8) 万能工作站UWS（书上误写为UCN） TDC3000LCN的UWS具有US全部功能，主要是为工厂办公室管理而设计的。其主要用做为标准控制台或专门的用户控制台，完成对生产过程进行集中监视、操作和管理，它具有“触摸屏幕”和“开窗口”功能。 TDC3000LCN是一种高速局域控制网络。它拥有高级控制模块和广泛的数据采集和分析能力。通过