DCS通讯网络的分层结构

　　1.分层结构的优缺点
　　经过大量分析发现，基于开放性、可靠性和传输实时性考虑，目前各dcs系统的通讯网络毫无例外地采用分层结构，过程采集数据上传，控制数据下传，不同层次的通讯网络可以根据实际需要采用不同的拓扑结构和不同的通讯协议，各个层次的相互配合共同构成整体通讯体系。从目前来看，各DCS系统一般存在有车间级的现场总线通讯网络或者远程通讯网络、电子设备间的控制网络和控制室内的操作管理网络，如图1所示，按此配置典型的系统有ABB公司的PROCONTROLP、西门子公司的TELEPERMXP、日立公司的HLACS5000、贝利公司的Svmphony和Honeywell公司的TDC3000。为了简化系统分层结构，有些系统将控制网络和操作管理网络合并为一个网络，如西屋公司的OVATION、FOXBORO公司的I／A和MCS公司的MAXl000 。需要说明的是，图1只是示意图，各层网络拓扑结构可以是环型、总线型和星型任何一种。

　　在DCS通讯系统分层结构中，现场总线层用于连接现场智能仪表，远程总线则用于连接远程I／O机柜，控制网络层主要用于各控制器和过程数据服务器之间的通讯，操作管理网络层用于操作员站、工程师站和过程数据服务器之间的通讯。至于全厂信息管理层（MIS）则主要用于全厂的生产管理、优化调度和人事管理等。由于MIS网一般都不采取冗余配置，并且相对布线复杂，可靠性相对较低，因此目前电厂自动化专家提议在操作网络和MIS网之间再增设一个实时监控信息网（SIs），专用于挂接厂级公用系统、各机组DCS系统和负荷分配站等，以用于多机组的实时监控和优化调度。除此之外，各自动化机柜内也有内部通讯网络，不同系统差别较大，但一般都采用确定性的主从式通讯网络或者令牌通讯网络，这里就不再讨论。
　　考虑到大多数数据都只需要在底层网络中传输，只有少数需要通过上层网络进行跨网络传输，因此，将整个通讯系统合理分层后，一方面可以合理隔离各层的网络通讯量，有利于提高各层通讯的实时性，另一方面也有利于网络的可靠性，通过分层可以有效隔离各层网络通讯故障，例如操作管理网络的故障不会波及到控制网络的正常运行。采用分层结构还有一个优点，那就是DCS厂商可以根据需要选择合理的网络拓扑结构和通讯协议，在满足整个通讯系统实时性和可靠性的基础上最大限度地降低成本，从而提高整个系统的竞争力，例如在图1操作网络层通过采用流行的标准工业以太网结构和TCP／IP通讯协议，有效提高了系统的开放性，与此同时，由于以太网非常便宜，因此使整体成本有效降低。需要注意的是，在这种分层体系中，连接不同网络之间的通讯装置的可靠性就成为一个关键因素，在可能的情况下选用高质量的标准网关。　
　　2．通过分段进一步提高通讯效率
　　由于以太网在重负荷下的低效率，应特别注意有效降低以太网的通讯负荷，尤其是在控制层使用以太网结构时。与控制网络相比，虽然操作层网络的实时性要求要低得多（一般来讲，由于人的视觉影响，操作画面数据刷新速度不宜高于1秒，否则操作人员容易疲劳），但是以太网由于具有传输不确定性的固有缺点，有效降低其通讯负荷总是有益的，为此可以采用三种办法，首先是采用更高速的以太网，譬如100Mbps快速以太网；其二是采用交换式以太网代替共享式以太网，以避免碰撞域，从而提高传输效率，典型代表就是MCS公司的MAX1000 系统；其三就是采用合理分段技术。这三种方法都各有其特点，在现有DCS中都得到了体现，鉴于前两种方法大家已经熟悉，这里就不再赘述，这里只简单讨论了第三种情况。
　　由于图]所示分层网络体系中一般都采用了双服务器和多操作员站的配置，因此可以将操作管理网络人为划分为两个相对独立的以太网，两个网络通过网桥连接，两个服务器分别挂接在两个以太网上，而操作员站则平分在两个网络上，例如目前一般一套机组DCS配有5个操作员站，因此可以按2、3分布，如图2所示。这样，在正常情况下，每个服务器都只服务与各自对应的操作员站，从而减少了网络传输负荷和服务器负荷，可以显著提高系统的响应速度度。如果出现异常情况，譬如一台服务器瘫痪，那么通过网桥两个以太网又成为一个整体，此时工作的服务器同时服务于所有操作员站，此时虽然响应速度稍微慢一些，但是完全不影响正常使用。采用这种方法不仅充分利用了两台服务器，而且只增加一个网桥的情况下就可以明显改变系统响应速度，因此是一种“低投入，高回报”的解决方案。根据作者的了解，目前贝利公司的SYMPHONY、ABB公司的PROCONTROI。P和日立公司的HIACS5000 都采用了该措施。

　　采用上述方案后，操作管理网络的通讯效率和可靠性都得到了较大提升。其实类似的分段措施在控制网络层也有使用，最典型的就是在日立公司HIACS3000／5000系统和FOXBORO公司的I/ASeries系统，其示意图如图3所示，此时控制层网络按照系统划分为燃烧系统、汽水系统和给水系统等。通过划分，各个控制网络段的通讯负荷有效降低，通讯实时性大大提高，可靠性也得到显著改善。但是需要注意的是，采用这种方式时，控制网络段的划分和控制机柜的合理分布非常关键，在可能的情况下，将数据交换频繁的控制机柜放在同一控制网络段上可以大大改善通讯实时性。例如根据日立公司提供的相关资料，在日立HIACS3000／5000系统中，机柜内数据传输周期为lOOms，而同一控制网络上控制机柜数据交换需要200ms，如果需要在不同控制网络上控制机柜之间交换数据则需要400ms时间。采用这种方式的潜在优点就是可以更好地实现控制机柜的物理分散，因为控制网络段可以根据需要加以灵活配置，这在FOXBORO公司的DCS实际应用系统中得到了较好的体现。