Allen Bradley 1756-LSP
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分布式系统输入/输出系统 随着流水线、自动线、生产线的发展和扩大，对自动化控制系统的要求也随之提高。因为原来的输入、输出的走线距离为十几米、几十米，后来的要求提高到上百米，甚至几百米，所以带来的问题有两个：一是输入、输出的距离过远，信号衰减过大，导致了误动作，甚至无法工作（现在的接线距离通常限制在四百米以内）；二是输入、输出线都采用并行接法，随着距离的增加，电缆的费用也不断增加，而且给后来的校线、调试、运行和维护都带来问题，所以使得项目的整体拥有成本（TOC）大大的提高了。 为了解决上述问题，自动化制造厂家推出了结构称为远程输入/输出系统（Remote Input/Output System），它的特点是CPU机架与输入/输出模块（输入/输出机架）**行物理上的分离，也就是用于远程输入/输出点的输入/输出模块不再安装于本地机架，而是安装于远程机架。本地机架与远程机架采用远程通讯电缆来连接，远程机架的输入/输出模块再连接周围的输入/输出点。这样就把原先的并行电缆，改变成现在的串行电缆（远程电缆），减少了接线成本。（理论上讲，把并行连接改为串行连接，系统的可靠性是下降了，这也是结构变化所要付出的代价吧） 我们要知道，这种结构上的变化是有技术含量的。因为远程输入模块在了输入信号后，要经过处理，先把它们转换成数字信号，再把它们变成一种数据帧，常被称之为某种特定的“协议”，具有规定的格式，然后经过远程分站模块、远程通讯电缆，到远程主站模块，传送到CPU站进行处理，处理后的结果再经过远程主站模块、远程电缆，传回给远程分站模块，经“翻译”后，由远程站上的输出模块输出给执行机构。 我们即得益于远程系统，也受制于远程系统。远程系统中的远程主站模块、远程电缆、远程分站模块成了整个系统的软肋，所以要格外重视。我们考虑问题的原则是：担心哪部分弱，容易出问题，就加强哪部分的实力。比如说：担心远程主站出问题，我们就对主站模块做冗余；担心电缆出问题，就对电缆进行冗余；担心分站出问题，就对分站模块冗余。应该说这种系统都是可以实现的，考虑到系统的造价问题，很多厂家采取了折衷的方案：远程主站、远程分站各为一个模块，但有单口和双口之分，用于连接一根或两根远程电缆，实现了电缆冗余。 冗余的电缆也有不同的工作方式，无外乎有以下几种方式：两缆同时工作，把信号比较后，再进行输出；两缆同时工作，仅取一个信号进行输出；两缆一用一备，直到用的一根出了问题，才进行切换；两缆一用一备，按时间间隔进行切换。用与备的切换完全由系统控制，自动进行，用户一般无需任何操作。至于厂家采用哪种方式，即要考虑实现的技术难度，也要考虑实现的商业成本。各自都有各自的道理，这就是一种选择吧，也是一种差异化竞争。总之，对于用户而言，双缆总是比单缆要可靠性高，心里觉着塌实。 以上谈的是硬件部分，下面再说说软件部分。因为工业现场的环境比较恶劣，比如：灰尘、震动、冲击、电压波动等，**影响就是来自现场的大设备，如：大电机的启动和停止，会带来一系列的连锁反应：接触器的吸合与断开，软驱动器启动和停止，变频器的运行和停止。还有一些高压、中压开关柜的运行等，都带有很强的电气干扰和电磁辐射。而它们通常也都与自动化系统的控制柜放在一起，而它们非常容易对低电平的通讯信号产生影响。因此，抗干扰就成了工业通讯要解决的首要难题。 为了解决现场的干扰问题，除了在物理上要采用带屏蔽的电缆、屏蔽线单端接地、信号线两端加接终端电阻、动力线与信号线分开布线或者保持一定的间隔、自动化系统与其他系统分开接地外，还要在通信的协议上下功夫。前面提到：远程协议都有规定的帧格式，而其中的一部分就是要对传送数据的周期性进行检验，确保传输的过程准确无误，这部分内容被称为FCS（frame Check Sequence）－帧检测序列，它是一种检测算法，专门用于通讯数据的检查。常用的算法有两种：循环冗余码校验（CRC：Cyclic Redundancy Check），和纵向冗余码校验（LRC：Longitudinal Redundancy Check），有8位、16位和32位之分，位数越多，校验能力就越强。 校验的基本原理是：发送数据之前，在发送端系统要对传送的数据帧中的数据进行计算，比如CRC的运算，把得出的结果放在FCS段，使之成为一个数据帧进行传送；数据经过传送，并被目的站接收后，在接收站对接收数据帧的数据进行运算，当然是和出发时的相同运算，得出的结果再和接收数据帧中的FCS内容进行比较，如果一致则说明传输无误，这一帧的传送任务完成，进行下一步的工作；如果不一致，则说明传输有误，告诉传送源请求数据重发。发送端通常会有一个重发的次数限制，比如3次，如果连续发生错误就说明线路有严重故障，甚至已经断开，系统会停止再试，马上向CPU和上位机操作员报警。 集散控制系统 在过程控制行业，也称为仪表控制行业，也从分立的仪表控制发展到了集成的控制系统，被称之为dcs（Distributed Control System）系统。我国在引进这种技术时，为了阐述分散控制、集中管理这个理念，把它翻译成：集散控制系统，而不是分布式控制系统。但我们从英文的内容看到：DCS是分布式控制系统的简称，强调的是“分布”的概念。 什么是分布的真正含义呢？从概念上说，所谓分布就是要分散危险，也就是说，不能因为系统中的某个元件或部件出问题，而造成整个系统的瘫痪。从结构来看，就是把控制系统比较重要的部分，如CPU，分散到几个CPU来实现；如存储器，分散到多个模块执行；如总线，变成冗余的网络进行；如操作系统，变成基于实时网络、多任务操作系统。 下面就对比我们非常熟悉的PC机，来理解DCS系统的结构。当老师介绍PC机的构成时，可以知道是由中央处理器（CPU），内部存储器（RAM），外部存储器（硬盘），内部总线（ISA，VESA，PCI等）和输入设备（键盘、鼠标、光驱、摄像头等），输出设备（显示器、打印机、绘图仪等）等构成；而DCS系统就是把上述的部件，变成网络中的一个节点单元（每个都相当于独立运行的PC机），来分散风险。 比如：DCS系统中的过程控制器和逻辑控制器，相当于两个CPU，分别完成仪表控制和电气控制；应用数据管理器相当于内部存储器；历史数据管理器相当于外部存储器；操作员站和工程师站相当于部分输入/输出单元；而所有的节点单元都通过实时的局域控制网络――相当于PC内部在线，连接在一起，构成了基本的DCS系统。可以看出：DCS系统是PC经过放大了的系统。但从系统的实现上，发生了质的变化：不因为某个节点单元发生故障，而造成整个系统的失效。不像我们的PC机：经常死机，需要重新驱动！ DCS系统不光分散了危险，也分散了CPU的负载。PC机中的所有工作都由一个CPU来做，而DCS系统中，则由多个CPU来实现，从而降低了每个CPU的工作量。应该说，这也是非常有意义的，因为CPU的负载超过某个值时，如80％，可能会造成过热、死机等问题，就是说：具有发生故障的潜在可能性。这也就是为什么很多游戏玩家，用“**飞车”来测试CPU的性能，实际上，这是一种超负荷测试，来检验CPU的能力。从另外一个角度来说，仅仅使用集成度和时钟频率来提高CPU的性能的方法，遇到了物理和材料方面的极限，所以，无论是英特尔，还是AMD都采用双核与多核技术来提高CPU的性能。这也从反方向证明了
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