上海新华dcs的网络通讯协议.docx
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上海新华dcs的网络通讯协议
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上海新华dcs的网络通讯协议
篇一：
dcs的通讯网络
0dcs的结构组成
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（hmi）。
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。
dcs的典型结构如图一：
1dcs通讯网络的发展历程
dcs自20世纪70年代问世以来，先后经历了四个发展时期，具体划分为：
（1）1975—1980初创期。
此时的dcs通讯系统只是一种初级局部网络，全系统由一个通讯指挥器指挥，对各单元的访问是轮流询问方式。
如tdc-2000、mod-3等。
（2）1980—1985成熟期。
采用局域网络，由主从式星型网络转变成对等式的总线网络通信或环网通信，扩大了通信范围，提高了传输速率。
如tdc-3000、mod-300等。
（3）1985—1990扩展期。
在局域网络方面采用国际标准组织iso的osi开放系统互联的参考模型，使符合开放系统的各制造厂的产品可以互连，互通信以及进行数据交换，第三方软件以可以应用。
改变了过去dcs各厂自成系统的封闭结构，dcs由原来的仅能应用发展到不仅能应用而且能开发。
tdc-3000（带ucn网）centumxl等。
（4）90年代以后，网络开放期。
采用符合国际标准的通信协议和规程，即iee802（以太网）、iee802.4（令牌总线）、eeFddi（光纤分布数据界面）、tcp/ip（传输控制协议/互联协议）或map（制造自动化协议）等，使不同厂家型号、不同操作系统的计算机可共存一个网络标准，达到产品互换、资源共享的目的。
如centumcs-3000、advant-500等。
2通讯网络的特点
通讯网络是dcs的重要支柱，执行分散控制的各单元以及各级人机接口要靠通讯系统连成一体，这种在局部区域内使用各种数据通讯的设备互连的通讯网络称为局域网（lan）。
它是一个高通讯速率，低误码率，快速响应的局部网络，具有组织灵活，易于扩展，资源共享的特点。
然而dcs完成的是工业控制，因此它与一般的办公室用局部网络有所不同，具有如下的特点：
（1）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
2-6s，而它要求0.01-0.5s
（2）具有极高的可靠性，必须连续、准确运行，数据传送误码率低于10-8—
（3）
（4）10-11，系统利用率在99.999%以上适合于在恶劣环境下工作，能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰和低电位差干扰。
分层结构，为适应dcs的分层结构，其通讯网络也必须具有分层结构，如
分为现场总线，车间级网络系统，工厂级网络系统等不同层次。
3通讯网络的分级体系
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。
其网络结构图如图二：
（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。
（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总线等。
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，在这一条总线上除三种不同的控制器模件以外，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。
当cpu和存储器的能力比较强时，把开关量的逻辑运算和模拟量的采集功能都在一个控制器中完成，这样在控制总线上就只有一种形式的控制器。
其通讯协议类似以太网，采用载波监听，令牌广播发送。
（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。
4dcs通讯网络特性的三要素－通讯介质
通讯介质又称为传输介质或信道，它是连接网上站或结点的物理信号通路，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。
（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。
双绞线最大带宽为100khz—1mhz,，其传输速率低于2mbps，传输距离可达15km或更长。
这种把多股导线封装在屏蔽护套内构成一根电缆的结构，能较好地抑制电磁感应干扰，但由于双绞线有较大的分布电容，故不宜传输高频信号。
（2）同轴电缆
由中心导体，固定中心导体的电介质绝缘层，外屏蔽层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10mbps和50mbps，传输距离为几公里和数十公里，同轴电缆的抗干扰性较双绞线好，它可传输高频和中频信号。
（3）光导纤维
网络信息经光电转换器变换成光信号，在光缆中进行传输，光信号在光纤中的传输速率大约是电信号在铜导线中传输速率的2/3，因此光纤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，由于造价昂贵，目前尚未被广泛采用。
5dcs通讯网络特性的三要素－网络结构形式
网络结构又称网络拓扑，它是指网络结点的互连方式，在dcs中通常有总线型、环型、星型三种。
总线型在逻辑上也是环型的，星型通常只用于小系统。
（1）总线型网络
总线型网络结构如图三示。
所有结点都挂接在总线上，为控制通讯，有的设有通讯控制器，采取集中控制方式；有的把通讯控制功能分设在各通讯接口中，称为发散控制方式。
总线型通讯网络的性能主要取决于总线的“带宽”，挂接设备的数目及总线访问规程。
总线型网络结构简单，系统可大可小，扩展方便，易设置备用部件，安装费用低，某设备故障不会威胁整个系统，是目前广泛采用的一种网络结构。
如tdc-3000、centumcs-3000等为双总线型网络。
（2）环型网络
环型网络结构如图四示。
网上所有结点都通过点对点链路连接，并构成一封闭环，工作站通过结点接口单元与环相连，数据沿环单向或双向传输，当然在双向传输时须考虑路径控制问题。
环型结构的突出优点是结构简单，控制逻辑简单，挂接或摘除结点也比较容易，系统的初始开发成本以及修改费用较低，环型结构的主要问题是可靠性较差，当结点处理机或数据通道出现故障时，会给整个系统带来威胁，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。
如advant-500、mod-300、inFi-90等采用双环冗余网络。
（3）星型网络
星型网络结构如图五示。
星的中心为主结点，其他为从结点，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讯控制策略，主结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。
为了提高可靠性，主结点采用冗余结构，使系统投资较大。
如jx-300等采用星型网络。
dcs通讯网络特性的三要素－通讯网络的通讯协议
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。
（1）令牌广播式协议
令牌广播式由一个结点发出一个令牌（令牌是特别的比特组，比特组内无源地址和目的地址），令牌沿环绕行。
拿到这个令牌的结点就改变令牌中一个特定位，将令牌变成一信息帧的帧起始定界符，加挂上构成一帧所需要的其余字段以发送信息，网络上的其他结点都在收听信息。
当本站检测到帧的目的地址与本站地址相符时，就接收该信息帧（目的结点）。
同时转发该帧，直到该帧回到发送站（源结点），才把该帧释放。
再发送新令牌。
在同一时间内只有一个结点在发送信息，其他都在收听。
这种协议的特点是只有持有令牌的结点才能发送信息。
令牌广播式协议的网络中，可以连接多个人机界面的结点，在网络上的结点都是平等的，每一个结点都有机会发送信息。
在环型和总线型网络中用得较多，如beileyinFi-90、advant-500系统等。
（2）问询式
问询式协议的网络设有交通指挥器，当人机界面向控制器请求数据时，必须通过交通指挥器，由交通指挥器来向控制器请求数据，控制器才能发送信息给人机界面。
如honeywell的tdc-2000，Fisher的provox，都有交通指挥器。
在星型网络中，人机界面（操作站）可以作为交通指挥器，但它只能连接一个人机界面的结点。
由一些回路控制器组成的系统通常都连成星型网络。
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（3）存储转发式
存储转发式协议是一个结点发出信息，传给下一个，这个结点接到信息，必须先存下来，如果自己要，就可以接收下来，如果不需要，就把它转发出去。
直到需要这个信息的结点为止。
然后信息再返回到源结点，才释放这个信息。
这种协议主要用于环型网络中，如beileynetwoRk-90系统等。
7dcs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/osi7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。
篇二：
现场总线及通讯协议
现场总线及通讯协议
现场总线的现状和未来发展
一、引言
计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统（dcs）后，今后将朝着现场总线控制系统的方向发展。
现场总线（fieldbus）是指现场仪表和数字控制系统输入输出之间的全数字化、双向、多站的通讯系统。
二、现场总线的产生
纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。
1、模拟仪表控制系统
模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。
其显著缺点是：
模拟信号精度低，易受干扰。
2、集中式数字控制系统
集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。
采用单片机、plc、slc或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。
集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。
3、集散控制系统（dcs）
集散控制系统（dcs）于八、九十年代占主导地位。
其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。
因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。
在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技
术的发展和应用，遗憾的是，不同的dcs厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的dcs系统之间以及dcs与上层intranet、internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系统且dcs造价昂贵。
在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求
。
4、现场总线控制系统（Fcs）
Fcs正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。
因此，Fcs实质是一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品。
三、现场总线及现场总线控制系统
1、现场总线的概念
现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循iso的osi开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。
Fcs则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统
2、现场总线与局域网的区别
（1）按功能比较，现场总线连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。
简而言之，现场总线是一种实时控制网络。
局域网用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。
从这个意义而言，局域网是一种高速信息网络。
（2）按实现方式比较现场总线可采用各种通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。
局域网需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。
3、现场总线的特点
在传统的dcs中，体现的是集中管理与分散控制的思想。
其结构体系可描述为“三站一线”，即工程师站、操作员站、i/o站和通信网络。
工程师站负责系统管理、控制组态、系统生成与下装；操作员站实现控制系统的控制操作、过程状态显示、历史数据的收集、报警状态显示以及趋势显
示和报表生成打印等；现场i/o站实现各种信号的采集和处理、回路的运算和控制结果输出等；通信网络负责提供各种功能站之间的数据通信和联络。
现场总线的突出特点在于它克服了dcs系统中通信由封闭的专用网络系统实现中所产生的缺陷，把基于封闭专用的解决方案变成基于公开标准化的解决方案；同时把集中与分散相结合的dcs集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。
现场总线的特点主要表现在以下几个方面：
（1）以数字信号完全取代传统dcs的4～20ma模拟信号，且双向传输信号。
一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大为减少，连线设计与接头校对工作量也大为减少。
同时，通信总线延伸到现场传感器、变送器、控制器和伺服机构，操作人员在控制室就能实现主控系统对现场设备的在线监视、诊断、校验和参数整定,从而提高了系统的精度、可监视性和抗干扰能力，节省了硬件数量与投资。
（2）相对于传统的dcs三层结构而言，现场总线在结构上只有现场设备和操作管理站两个层次，将传统dcs的i/o控制站并入现场智能设备，取消了i/o模件，现场仪表都是内装微处理器的，它们各自进行采样、a/d转换、线性化或校正运算处理、报警判断以及控制算法功能等，输出的结果直接送到邻近的调节阀上，完全不需要经过控制室主控系统，从根本上改变了传统dcs集中与分散相结合的结构体系，实现了结构上的彻底分散。
（3）总线网络系统是开放的。
将系统集成的权力交给用户，用户可以按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成规模各异的系统。
因而现场总线称为自动化领域的开放互连系统，其开放性和互操作性体现在可以用不同厂家的现场仪表去替换出现故障的另一厂家的现场仪表，更换后通信能够恢复正常，同时又可以查询新的现场仪表的自身信息。
四、现场总线的未来
（1）能否出现全世界统一的现场总线标准
（2）现场总线能否全面取代现时风靡世界的dcs系统。
五、现场总线的发展现状
现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。
目前已开发出有40多种现场总线，如interbus、bitbus、devicenet、modbus、arcnet、p-net、Fip、isp等，较流行的有5种，分别是FF、profitbus、haRt、can和lonworks（性能对照见表1）
表15种现场总线性能对照表
在现场总线标准的研究制订过程中，出现过多种企业集团或组织，通过不断的竞争，到1994年在国际上基本上形成了两大阵营，一个以
Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、abb、西门子等80家公司制订的isp协议；另一个以honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制订的worldFip协议。
这两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会（FieldbusFoundation,FF），致力于开发国际上统一的现场总线协议。
FF的体系结构参照iso/osi模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层，另外增加了用户层。
FF提供两种物理标准：
h1和h2。
h1
为用于过程控制的低速总线，速率为31.25kbps,传输距离为200m、400m、1200m和1900m四种。
h2的传输速率可为1mbps和2.5mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。
物理传输介质可支持双绞线、同轴电缆和光纤，协议符合iec1158-2标准。
（2）profibus现场总线
它是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。
该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。
它采用osi模型的物理层、数据链路层。
分散化的外围设备（dp）型隐去了第3层至第7层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口；现场总线信息规范（Fms）型则只隐去第三至第六层，采用了应用层。
过程自动化（pa）型的标准目前还处于制定过程之中。
其最大传输速率为12mbps,传输距离为100m和400m，传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。
（3）lonwork（localoperatingnetwork局部操作网）现场总线
它是由美国echelon公司于1990年正式推出的。
它采用iso/osi模型的全部7层协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其最大传输速率为1.5mbps,传输距离为2700m，传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。
采用的lontalk协议被封装在neuron芯片中，内含三个8位微处理器，一个负责介质访问控制，一个负责网络处理，一个负责应用处理。
（4）控制局域网（controlareanetwork，can）控制网络
最早由德国bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。
can结构模型取iso/osi模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链路层和应用层。
通信速率最高可达1mbps，通信距离最远可达10000m。
物理传输介质可支持双绞线，最多可挂接设备110个。
can在我国的应用较早，我国华控技术公司基于can协议开发了sds智能分布式系统；和利时公司开发的hs2000系统的内部网络就是应用can［3］。
（5）haRt（highwayaddressableRemotetranducer可寻址远程传感器数据通路）美国Rosemount公司1989年推出，主要应用于智能变送器。
haRt为一过渡性标准，它通过在4-20ma电源信号线上叠加不同频率的正弦波（2200hz表“0”，1200hz表“1”）来传送数字信号，从而保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性，其数字通信由于采用调制/解调方式，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强的竞争力，得到了较快的发展。
预计其生命周期为最近20年。
篇三：
dcs对外通讯接口
技术部分
对外通讯接口
本工程每台单元机组均设计配置2台通讯站，其中一台为与sis的通讯网关。
通讯站使用dell品牌机，型号：
2.8g/1g/80g/cd/，通讯站运行的是通讯服务任务，不需要经常监视，因此不配置专用的显示器，和系统服务器公用一台显示器。
每台通讯站配置一对互为冗余的100m以太网接口、2块moxa通讯卡，操作系统为windowsxp。
该dcs系统具有广泛的开放性，支持opc/odbc、modbus等通讯协议，采用Rs232/Rs485、100m网络等接口方式，通过通讯站或交换机实现与其它系统的信息交流。
系统间根据需要实现单向或双向交流。
本工程根据招标书要求将实现与厂用电等第三方控制系统的通讯。
一、dcs与其他控制系统通讯基础1、moxa通讯卡说明
moxa通讯卡主要用于完成modbus通讯任务，物理层支持Rs232/Rs422/Rs485。
如下图所示：
使用前，必须先检查卡的跳线，正确设置跳线，通讯任务才能正常。
sw2拨至on位置。
如果是Rs485，则sw1拨至on位置，jp5、jp6跳至左侧；如果是Rs422，则sw1拨至oFF位置，jp5、jp6跳至左侧。
sw1、sw2拨码的1、2、3、4分别控制port1（com2）、
tm
技术部分
port2（com3）、port3（com4）、port4（com5）。
如果是Rs232，jp5跳至右侧，能使port1为Rs232；jp6跳至右侧，能使port2为Rs232；也就是说，端口port1、prot2可以通过跳线选择Rs232/Rs422/Rs485；端口port3、pro
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