分散控制系統(tǒng)(DCS)是現(xiàn)代機組起停和運行的中樞系統(tǒng)，其區(qū)別于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的關鍵在于具有一個完善的通訊系統(tǒng)。近年來，以太網(wǎng)技術發(fā)展迅速，網(wǎng)絡傳輸速度從10Mbit/s發(fā)展到目前1000 Mbit/s，因此其在DCS主干通訊網(wǎng)的使用穩(wěn)步上升。
一、以太網(wǎng)通訊的特點
(1)特點 以太網(wǎng)是遵循IEEE802.3標準的局域網(wǎng)，傳輸媒體可選擇同軸電纜、雙絞線、光纖。其主要通信特點是隨機接入、載波監(jiān)聽、碰撞檢測和沖突競爭。在每個站發(fā)送幀期間，需先監(jiān)聽網(wǎng)絡，如網(wǎng)絡繁忙則繼續(xù)監(jiān)聽，如空閑則發(fā)送數(shù)據(jù)，一旦檢測到?jīng)_突，就立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)送一串阻塞信號，通知總線上各站沖突已發(fā)生，這樣通道的容量不致因傳送已損壞的幀而浪費。
(2)優(yōu)缺點 工業(yè)控制采用以太網(wǎng)的有下列幾個方面的明顯優(yōu)勢：安裝方便、低成本，具有良好的連接性，易于移植到高速網(wǎng)絡。但是，當多個站點監(jiān)聽到空閑時而同時發(fā)送數(shù)據(jù)，將不可避免產生通訊沖突，而且通訊負荷越高，沖突越多，因此它具有傳輸不確定性和重載下低性能的缺點，也因此曾被認為不適合應用在實時性很強的工業(yè)控制中。
二、工業(yè)以太網(wǎng)在珠江電廠DCS中的應用
2.1 珠江電廠DCS網(wǎng)絡結構
2.1.1 DCS主干通訊網(wǎng)絡結構
珠江電廠DCS采用新華控制公司的XDPS-400系統(tǒng)，網(wǎng)絡類型為以太網(wǎng)，網(wǎng)絡結構為總線型，傳送速率為0Mbit/s，傳輸介質是50Ω無源同軸電纜，帶站能力最大254個，通訊約定協(xié)議為廣播式，點與點結構(圖1)。
XDPS-400以一個高速的冗余實時數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(A網(wǎng)、B網(wǎng))和一個信息網(wǎng)(C網(wǎng))為基礎，由多個節(jié)點構成。掛網(wǎng)的處理節(jié)點有數(shù)據(jù)處理站(DPU)和MMI站(工程師站、操作員站，歷史數(shù)據(jù)站、中間計算站、外部系統(tǒng)接口站)構成一個具有過程控制、順序控制和數(shù)據(jù)監(jiān)視功能的分布式控制系統(tǒng)。實時數(shù)據(jù)網(wǎng)絡共分4段，每段間用同軸電纜集線器連接，并轉換為雙絞線連接到切換型集線器(SWITCH HUB)與總線連接。信息網(wǎng)用于連接MMI的各種站點，并用于操作系統(tǒng)支持的文件傳送及打印共享。
2.1.2 DPU分散處理單元低層通訊網(wǎng)絡結構
DPU低層通訊采用高速串行總線的位總線連接DPU與I/O單元，通信協(xié)議符合EIA RS485規(guī)范，通訊傳輸速率375 kbit/s，通訊介質是屏蔽雙絞線STP，采用命令/響應通訊方式主從式通訊結構。
2.2 XDPS-400系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊特點
高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)是整個系統(tǒng)的核心，節(jié)點間自由通訊，節(jié)點可配置在系統(tǒng)中的任何位置，非常靈活。實時數(shù)據(jù)與實時狀態(tài)對各節(jié)點是透明的，數(shù)據(jù)的傳送采用周期傳送和例外傳送的數(shù)據(jù)交換形式，以降低網(wǎng)絡的通訊負荷，保證了可靠性。網(wǎng)上的各種節(jié)點由Intel OEM單板或用通用的工業(yè)PC機構成，網(wǎng)卡也是通用的以太網(wǎng)卡，具有兼容的升級換代能力。由于信息高速公路采用標準的以太網(wǎng)和TCP/IP通訊協(xié)議，因而系統(tǒng)也易于容納其它產品。
XDPS-400系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊技術特點：
(1)提供廣播所有網(wǎng)上設備的高速數(shù)據(jù)鏈路。所有節(jié)點共享整個XDPS分布式全局數(shù)據(jù)庫，無通訊瓶頸。
(2)XDPS實時數(shù)據(jù)高速公路信息的傳播不需要中間站的存儲或轉發(fā)，使得通訊網(wǎng)絡的維護極為方便。
(3)所有DPU站和MMI站均掛接于實時數(shù)據(jù)高速公路實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，而所有MMI站又與信息以太網(wǎng)連接，使非實時管理信息與實時控制信息彼此分開，真正實現(xiàn)信息控制。
2.3 XDPS-400系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡應用現(xiàn)狀分析
2.3.1 通訊結構的不足之處
珠江電廠的XDPS-400系統(tǒng)在應用中基本滿足電廠控制的實時性、可靠性、安全性要求，但受技術條件所限，該系統(tǒng)網(wǎng)絡結構存在以下不足之處。
(1)網(wǎng)絡負荷率較高 因珠江電廠控制節(jié)點(DPU)數(shù)量較多(共36個)，雖然已將整個DCS網(wǎng)絡分成了4段，但各段通訊負荷仍然較高，達到15%～20%左右，已超過規(guī)范(小于20%)要求，致使碰撞率也偏高，B網(wǎng)達到11.4%，遠大于以太網(wǎng)碰撞率的一般要求(應不大于5%)，效率較低。
(2)I/O總線通訊速率較低 I/O通訊總線通訊速率只有375kbit/s，速率偏低，抗干擾能力較低，偶然情況下會引起I/O通訊出錯。
(3)主干網(wǎng)絡故障點集中 作為網(wǎng)段之間互聯(lián)的交換機如果出現(xiàn)故障，將導致某個網(wǎng)絡(A網(wǎng)或B網(wǎng))故障;用于將同軸電纜轉換為雙絞線的轉換器如果出現(xiàn)故障，也將引起某段網(wǎng)絡無法與其它網(wǎng)段通訊。
2.3.2 應用中存在的問題
(1)多次出現(xiàn)I/O點跳變，造成自動調節(jié)波動，3號機組DCS曾因“網(wǎng)絡風暴”而出現(xiàn)癱瘓，分析其原因都與系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊有關，尤其是I/O通訊總線為Bitbus 方式影響較大。
(2)由于系統(tǒng)通訊速率問題，目前系統(tǒng)中不同DPU之間的SOE點分辨率無法滿足規(guī)程要求。系統(tǒng)網(wǎng)絡負荷率偏高，3號機組系統(tǒng)性能測試時發(fā)現(xiàn)最高負荷率達到24.5%，碰撞率達到11.4%，遠大于規(guī)程要求，導致傳輸延遲。珠江電廠DCS網(wǎng)絡負荷率及碰撞率情況見表1。
(3)隨著計算機技術的發(fā)展，MMI站所用PCI總線的網(wǎng)卡(帶BNC接口)已停產，備品困難，影響DCS的正常維護。
(4)作為網(wǎng)段轉換用的集線器和網(wǎng)段之間互聯(lián)的交換機如果出現(xiàn)故障，CRT自檢畫面無報警信息，因此缺乏檢測監(jiān)視手段。
(5)DPU負荷較高時，會導致信息誤變。
2.4 通訊網(wǎng)絡升級改造對策及其效果
2.4.1 升級改造對策
鑒于DCS網(wǎng)絡系統(tǒng)存在的問題，珠江電廠決定對DCS網(wǎng)絡進行升級改造：(1)主干網(wǎng)絡A、B網(wǎng)從總線以太網(wǎng)升級為光纖虛擬環(huán)網(wǎng)，選用德國HIR-SCHMANN(赫斯曼)公司的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，它的自愈、容錯等性能更能滿足DCS的需要;(2)DPU低層通訊網(wǎng)從Bitbus升級為以太網(wǎng);(3)C網(wǎng)是非實時控制網(wǎng)，從總線結構升級為星型結構，采用低廉的D-LINK24口交換機連接。珠江電廠DCS網(wǎng)絡升級后結構如圖3所示。
2.4.2 升級后的效果
珠江電廠2號、4號機組DCS網(wǎng)絡升級后，網(wǎng)絡的實時性、安全性、可靠性、可維護性均有提高，完全能滿足電廠控制要求。
(1)網(wǎng)絡負荷率 網(wǎng)絡升級后，網(wǎng)絡負荷率大幅降低(表2)，通訊效率得以提高。
(2)DPU負荷率 網(wǎng)絡升級后DPU負荷率比原來下降50%～80%(表3)，可避免網(wǎng)絡異常時DPU復位的現(xiàn)象。
(3)網(wǎng)絡速率及通訊媒體 主干網(wǎng)絡速率由10 Mbit/s升級到100Mbit/s，I/O通訊速率從Bitbus 375kbitls升級到BCnet 10 Mbit/s，提高了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時性;主干網(wǎng)通訊媒體原采用同軸電纜，現(xiàn)更換為光纖，通訊抗電磁干擾能力增強，減少了I/O驅動出錯的幾率。
(4)網(wǎng)絡安全性、可靠性 升級前，總線型網(wǎng)絡中任一傳輸介質或傳輸設備的故障，都將導致原來一體的網(wǎng)絡被分割為各自獨立的兩段，從而引發(fā)網(wǎng)絡節(jié)點之間通訊中斷;升級后，環(huán)形網(wǎng)絡的核心部件——RS2-FX/FX光纖交換機在整個環(huán)形物理網(wǎng)絡中作為邏輯斷點存在，即環(huán)形以太網(wǎng)雖然在物理上是個環(huán)狀結構，但在邏輯上還是個總線結構。當某一段光纖或某一個交換機發(fā)生故障時，環(huán)形網(wǎng)在物理上退化為總線型網(wǎng)絡，但邏輯總線特征并未發(fā)生變化，網(wǎng)絡中的各個節(jié)點一如通常的總線型或星型網(wǎng)絡正常工作。升級后，整個網(wǎng)絡的容錯能力大大加強，可靠性提高。實時網(wǎng)為冗余的虛擬環(huán)網(wǎng)，并具備“自愈”功能，系統(tǒng)在發(fā)生3個斷點(最大允許)后仍可進行工作。I/O總線全部采用冗余的BCnet通訊，相對于原來的Bitbus總線，通訊速率大大提高，故障容錯性能提高。
(5)系統(tǒng)維護 HIRCHMANN交換機具有自檢故障輸出觸點和網(wǎng)絡檢測軟件，有利于系統(tǒng)維護。
三、結 論
(1)環(huán)形以太網(wǎng)技術在珠江電廠DCS中的應用是成功的，該技術既保留了以太網(wǎng)廉價高效，兼容性好的特點，又加強了其實時性、可靠性、安全性，完全能滿足電廠生產需要;雖然以太網(wǎng)有不確定性和重載下低性能的缺點，但可通過提高速率和降低負荷等手段來提高網(wǎng)絡通訊性能，因此工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)控制上的應用是可行的。
(2)以太網(wǎng)技術發(fā)展迅速，由于標準開放，DCS制造商能夠根據(jù)需要方便地升級整個通訊系統(tǒng)性能，因此可降低生產成本。
(3)一個成熟的DCS，通訊網(wǎng)絡類型選擇只是一個重要方面，還有很多其它關鍵技術可以提高整個DCS的通訊效率和通訊實時性，如信息壓縮技術、事件報告技術等。因此DCS制造商根據(jù)工業(yè)控制特點和要求，在選擇好網(wǎng)絡類型后，既要合理地開發(fā)、利用通訊技術以提高通訊效率，也要充分考慮到通訊故障時的各種保護，以確保工業(yè)控制的安全可靠性。
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