工控摘要：目前各DCS系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡毫無例外地采用分層結構，過程采集數(shù)據(jù)上傳，控制數(shù)據(jù)下傳。在DCS通訊系統(tǒng)分層結構中，現(xiàn)場總線層用于連接現(xiàn)場智能儀表，遠程總線則用于連接遠程I/O機柜，控制網(wǎng)絡層主要用于各控制器和過程數(shù)據(jù)服務器之間的通訊。
　　
　　1.分層結構的優(yōu)缺點
　　
　　經(jīng)過大量分析發(fā)現(xiàn)，基于開放性、可靠性和傳輸實時性考慮，目前各DCS系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡毫無例外地采用分層結構，過程采集數(shù)據(jù)上傳，控制數(shù)據(jù)下傳，不同層次的通訊網(wǎng)絡可以根據(jù)實際需要采用不同的拓撲結構和不同的通訊協(xié)議，各個層次的相互配合共同構成整體通訊體系。從目前來看，各DCS系統(tǒng)一般存在有車間級的現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡或者遠程通訊網(wǎng)絡、電子設備間的控制網(wǎng)絡和控制室內(nèi)的操作管理網(wǎng)絡，如圖1所示，按此配置典型的系統(tǒng)有ABB公司的PROCONTROLP、西門子公司的EPERMXP、日立公司的HLACS5000、貝利公司的Svmphony和Honeywell公司的TDC3000。為了簡化系統(tǒng)分層結構，有些系統(tǒng)將控制網(wǎng)絡和操作管理網(wǎng)絡合并為一個網(wǎng)絡，如西屋公司的OVATION、FOXBORO公司的I/A和MCS公司的MAXl000+。需要說明的是，圖1只是示意圖，各層網(wǎng)絡拓撲結構可以是環(huán)型、總線型和星型任何一種。
　　
　　在DCS通訊系統(tǒng)分層結構中，現(xiàn)場總線層用于連接現(xiàn)場智能儀表，遠程總線則用于連接遠程I/O機柜，控制網(wǎng)絡層主要用于各控制器和過程數(shù)據(jù)服務器之間的通訊，操作管理網(wǎng)絡層用于操作員站、工程師站和過程數(shù)據(jù)服務器之間的通訊。至于全廠信息管理層（MIS）則主要用于全廠的生產(chǎn)管理、優(yōu)化調(diào)度和人事管理等。由于MIS網(wǎng)一般都不采取冗余配置，并且相對布線復雜，可靠性相對較低，因此目前電廠自動化專家提議在操作網(wǎng)絡和MIS網(wǎng)之間再增設一個實時監(jiān)控信息網(wǎng)（SIs），于掛接廠級公用系統(tǒng)、各機組DCS系統(tǒng)和負荷分配站等，以用于多機組的實時監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度。除此之外，各自動化機柜內(nèi)也有內(nèi)部通訊網(wǎng)絡，不同系統(tǒng)差別較大，但一般都采用確定性的主從式通訊網(wǎng)絡或者令牌通訊網(wǎng)絡，這里就不再討論。
　　
　　考慮到大多數(shù)數(shù)據(jù)都只需要在底層網(wǎng)絡中傳輸，只有少數(shù)需要通過上層網(wǎng)絡進行跨網(wǎng)絡傳輸，因此，將整個通訊系統(tǒng)合理分層后，一方面可以合理隔離各層的網(wǎng)絡通訊量，有利于提高各層通訊的實時性，另一方面也有利于網(wǎng)絡的可靠性，通過分層可以有效隔離各層網(wǎng)絡通訊故障，例如操作管理網(wǎng)絡的故障不會波及到控制網(wǎng)絡的正常運行。采用分層結構還有一個優(yōu)點，那就是DCS廠商可以根據(jù)需要選擇合理的網(wǎng)絡拓撲結構和通訊協(xié)議，在滿足整個通訊系統(tǒng)實時性和可靠性的基礎上zui大限度地降低成本，從而提高整個系統(tǒng)的競爭力，例如在圖1操作網(wǎng)絡層通過采用流行的標準工業(yè)以太網(wǎng)結構和TCP/IP通訊協(xié)議，有效提高了系統(tǒng)的開放性，與此同時，由于以太網(wǎng)非常便宜，因此使整體成本有效降低。需要注意的是，在這種分層體系中，連接不同網(wǎng)絡之間的通訊裝置的可靠性就成為一個關鍵因素，在可能的情況下選用高質(zhì)量的標準網(wǎng)關。
　　
　　2.通過分段進一步提高通訊效率
　　
　　由于以太網(wǎng)在重負荷下的低效率，應特別注意有效降低以太網(wǎng)的通訊負荷，尤其是在控制層使用以太網(wǎng)結構時。與控制網(wǎng)絡相比，雖然操作層網(wǎng)絡的實時性要求要低得多（一般來講，由于人的視覺影響，操作畫面數(shù)據(jù)刷新速度不宜高于1秒，否則操作人員容易疲勞），但是以太網(wǎng)由于具有傳輸不確定性的固有缺點，有效降低其通訊負荷總是有益的，為此可以采用三種辦法，首先是采用更高速的以太網(wǎng)，譬如100Mbps快速以太網(wǎng);其二是采用交換式以太網(wǎng)代替共享式以太網(wǎng)，以避免碰撞域，從而提高傳輸效率，典型代表就是MCS公司的MAX1000+系統(tǒng);其三就是采用合理分段技術。這三種方法都各有其特點，在現(xiàn)有DCS中都得到了體現(xiàn)，鑒于前兩種方法大家已經(jīng)熟悉，這里就不再贅述，這里只簡單討論了第三種情況。
　　
　　由于分層網(wǎng)絡體系中一般都采用了雙服務器和多操作員站的配置，因此可以將操作管理網(wǎng)絡人為劃分為兩個相對獨立的以太網(wǎng)，兩個網(wǎng)絡通過網(wǎng)橋連接，兩個服務器分別掛接在兩個以太網(wǎng)上，而操作員站則平分在兩個網(wǎng)絡上，例如目前一般一套機組DCS配有5個操作員站，因此可以按2、3分布，如圖2所示。這樣，在正常情況下，每個服務器都只服務與各自對應的操作員站，從而減少了網(wǎng)絡傳輸負荷和服務器負荷，可以顯著提高系統(tǒng)的響應速度度。如果出現(xiàn)異常情況，譬如一臺服務器癱瘓，那么通過網(wǎng)橋兩個以太網(wǎng)又成為一個整體，此時工作的服務器同時服務于所有操作員站，此時雖然響應速度稍微慢一些，但是*不影響正常使用。采用這種方法不僅充分利用了兩臺服務器，而且只增加一個網(wǎng)橋的情況下就可以明顯改變系統(tǒng)響應速度，因此是一種“低投入，*”的解決方案。根據(jù)作者的了解，目前貝利公司的SYMPHONY、ABB公司的PROCONTROI。P和日立公司的HIACS5000+都采用了該措施。
　　
　　采用上述方案后，操作管理網(wǎng)絡的通訊效率和可靠性都得到了較大提升。其實類似的分段措施在控制網(wǎng)絡層也有使用，zui典型的就是在日立公司HIACS3000/5000系統(tǒng)和FOXBORO公司的I/ASeries系統(tǒng)，其示意圖如圖3所示，此時控制層網(wǎng)絡按照系統(tǒng)劃分為燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)和給水系統(tǒng)等。通過劃分，各個控制網(wǎng)絡段的通訊負荷有效降低，通訊實時性大大提高，可靠性也得到顯著改善。但是需要注意的是，采用這種方式時，控制網(wǎng)絡段的劃分和控制機柜的合理分布非常關鍵，在可能的情況下，將數(shù)據(jù)交換頻繁的控制機柜放在同一控制網(wǎng)絡段上可以大大改善通訊實時性。例如根據(jù)日立公司提供的相關資料，在日立HIACS3000/5000系統(tǒng)中，機柜內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸周期為lOOms，而同一控制網(wǎng)絡上控制機柜數(shù)據(jù)交換需要200ms，如果需要在不同控制網(wǎng)絡上控制機柜之間交換數(shù)據(jù)則需要400ms時間。采用這種方式的潛在優(yōu)點就是可以更好地實現(xiàn)控制機柜的物理分散，因為控制網(wǎng)絡段可以根據(jù)需要加以靈活配置，這在FOXBORO公司的DCS實際應用系統(tǒng)中得到了較好的體現(xiàn)。