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摘要：DCS分散控制系统指控制功能分散、风险分散、操作显示集中、采用分布式结构的智能网络系统。数据采集系统指采用数字计算机控制系统对工艺系统和设备的运行参数、状态进行检测，对检测的结果进行处理、记录、显示和报警，基于此，本文主要对DCS通信网络进行分析探讨。
关键词：DCS通信网络；分布式结构
1、前言
DCS系统采用一种分层体系结构，可以将其通信系统也划分为多个层次，每一层的通信速度和网络类型都有所不同，在工业控制中，大多数数据只需要在底层网络中传输，只有少数数据需要跨网络传输。基于这—特点，在设计DCS通信网络时，可以根据每一层网络的不同特点选择合理的网络类型和通信协议，在满足整个网络通信实时性与可靠性的基础上最大限度地降低成本。
2、DCS通信网络的特点
由于DCS系统用通信网络不同于以传递信息为主要目标的邮电通信，也不同于一般的计算机网络通信，它传递信息是以引起物质或能量的运动为最终目的，因此其通信网络特别强调其实时性、可靠性、稳定性。
“实时性”是集散控制系统一项十分重要的性能指标。对于普通局域网而言，一般认为，网络资源利用率高，特别是信道利用率高的存取控制方法就是比较好的方法。工业控制局域网则有些不同，工业局域网对实时性要求比较高，对响应时间的要求有时比普通局域网快几百倍，这时只好牺牲部分信道利用率以保证实时性。要保证整个通信子网的实时性必须满足3个时间约束条件：
(1)设置每个站每次取得通信权的时间上限值，若超过此值，无论本次通信任务是否完成，均应立即释放通信权。
(2)保证在某一固定的时间周期内，通信子网上的每一个站都有机会取得通信权，以防个别站因长时间取不到通信权而使其实时性太差甚至丧失实时性。
(3)对于紧急任务，当其实时性要求临时变得很高时，应当给以优先服务。对实时性要求较高的站，也应当给予较高的优先权。“可靠性”是DCS通信网络的另一个重要指标，一般可用以下几种因素衡量：
(1)故障的影响最小：在通信网络内或挂在通信网络上的任一装置的任何部分的独立故障，除故障装置所直接涉及的那个功能之外，不应引起整个系统或任何其它功能的故障。
(2)具有内部状态和差错报告能力。
(3)在通常发生的故障纠正后，通信网络能够自动恢复。
(4)能够支持任何站的加载、启动、停止、再加载和复位。
3、DCS的通信网络结构
常规集散控制系统网络可分为四层：管理层、系统层、控制层和设备层。
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3．1管理层
管理网的通信介质一般采用光纤、同轴电缆、双绞线。其功能包括：可从运行有数据服务软件的操作站(或专用服务器)上获取系统过程参数和系统运行信息，同时向下传送E层管理计算机构调度指令和生产指导信息；企业内多套装置或生产过程的管理数据通信；大型工业过程各子系统间的协调控制与调度管理；工厂级的综合管理、调度、统计和决策等。
3．2系统层
系统层一般采用符合mEE802．3标准的工业以太网，其通信速率为100/1000Mbis。系统层通常采用可靠性高的冗余结构实现热备份工作，可以保证在其中一条网络失效的情况下不影响系统通信。系统网拓扑结构为星型和菊花链型，在一定区域范围内的各节点都连接到—个以太网交换机上，各区域又通过多个交换机互连在一起。系统网的最大通信距离和交换机的个数与使用的通信介质有关。
系统网主要完成的基本功能包括：现场控制站传递现场IO采集数据至操作站；各现场控制站问的数据传递以满足大范围协调控制的需要；操作站和工程师站向现场控制站传递控制指令或组态数据；保持各操作站之间数据的一致性。
系统网的通信介质、交换设备、网络适配器等均可实现双重冗余配置，对于冗余配置的两个网，工业系统一般分别称之为A网和B网。发送数据的站点在发送数据时，无论两条线路均正常工作还是仅有一条线路正常工作，都将数据包向两个线路同时发送；接收站点则根据所接收的数据包的时间顺序或质量标记．仅选取冗余的两个数据包中的—个。
3.3控制层
控制层通常采用现场总线网，是一种按优先级抢占式的总线网络。它的数据通信具有较高的可靠性、实时性与灵活性。工业控制中常用的CAN总线的通信距离长、速度快，是—种价格低廉，适用于在多种工业环境下进行通信的总线。控制层具有以下特点。
(1)多主工作方式，网络上任意一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主从，通信方式灵活，且无需地址等节点信息，可方便地构成多机备份系统；
(2)网络节点信息分成不同的优先统可满足不同的实时要求。
(3)采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪的情况：
(4)采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果，每帧信息都有cRc校验及其他检错措施，数据出错率极低节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线其他节点的操作不受影响；
(5)通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，可灵活选择。控制层网络主要实现现场控制站内部各个智能I/O模板和控制模板之间的互联和信息传递。
3.4设备层
设备层数据交换总线是IO模块内部连接IO模块与底板控制器的实时控制网络，用来实现控制器和所有智能I0模块之间的互连和信息传送。其具有的特点包括：支持点对点发送和广播发送功能；节点错误严重对不会影响其他节点正常工作；传输时间短，不易干扰，具有极好的检错效果；容易实现信号和信号之间、信号和主机之间的隔离；容易实现模块级功能扩展。
4、小结
工业自动化网络的发展趋势应该是分布式、开放化、立体化和信息化。分布式结构是一种能确保网络中每个智能模块独立工作的网络，达到系统危险分散的目的；开放化则是系统结构具有与外界相连的接口，实现系统与外界网络的连接；立体化则使系统网络传输分工更加细化：信息化则使系统信息能够进行多元化处理，并与网络技术结合，实现网络自动化和管控—体化。
基于DCS通信网络的特点及对令牌总线、令牌环网和以太网3种局域网络的优缺点分析，可以得出以下结论:
(1)当信道负载高于网络容量的时40%,CSMA/CD的响应时间按指数规律增大,且迅速变得比令牌总线的性能更加恶劣，因此过程控制一般不采用CSMA/CD总线。(2)由于在令牌环网优先级低的站可能因等待低优先级令牌而被忽略，因此令牌总线的信息优先级比令牌环网的优先级更好。工业控制网络要求必须保证以一种确定性的及时的方式传递信息，而令牌总线更满足这些要求。
参考文献：
[1]DLT774-2004火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程.中国电力出版社.
[2]DL/T659火力发电厂分散控制系统验收测试规程.中国电力出版社
论文作者:石明扬
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/17
标签：系统论文; 通信论文; 网络论文; 总线论文; 节点论文; 通信网络论文; 实时论文; 《防护工程》2018年第23期论文;