分散控制系統(tǒng)(DCS)是現(xiàn)代機(jī)組起停和運(yùn)行的中樞系統(tǒng)，其區(qū)別于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于具有一個(gè)完善的通訊系統(tǒng)。近年來，以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)
(1)特點(diǎn) 以太網(wǎng)是遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)是隨機(jī)接入、載波監(jiān)聽、碰撞檢測(cè)和沖突競(jìng)爭(zhēng)。在每個(gè)站發(fā)送幀期間，需先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)絡(luò)繁忙則繼續(xù)監(jiān)聽，如空閑則發(fā)送數(shù)據(jù)，一旦檢測(cè)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(hào)，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(fèi)。
(2)優(yōu)缺點(diǎn) 工業(yè)控制采用以太網(wǎng)的有下列幾個(gè)方面的明顯優(yōu)勢(shì)：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(luò)。但是，當(dāng)多個(gè)站點(diǎn)監(jiān)聽到空閑時(shí)而同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，將不可避免產(chǎn)生通訊沖突，而且通訊負(fù)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(diǎn)，也因此曾被認(rèn)為不適合應(yīng)用在實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的工業(yè)控制中。
二、工業(yè)以太網(wǎng)在珠江電廠DCS中的應(yīng)用
2.1 珠江電廠DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
2.1.1 DCS主干通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
珠江電廠DCS采用新華控制公司的XDPS-400系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)類型為以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為總線型，傳送速率為0Mbit/s，傳輸介質(zhì)是50Ω無源同軸電纜，帶站能力最大254個(gè)，通訊約定協(xié)議為廣播式，點(diǎn)與點(diǎn)結(jié)構(gòu)(圖1)。
XDPS-400以一個(gè)高速的冗余實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(A網(wǎng)、B網(wǎng))和一個(gè)信息網(wǎng)(C網(wǎng))為基礎(chǔ)，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。掛網(wǎng)的處理節(jié)點(diǎn)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(jì)算站、外部系統(tǒng)接口站)構(gòu)成一個(gè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共分4段，每段間用同軸電纜集線器連接，并轉(zhuǎn)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(diǎn)，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(luò)結(jié)構(gòu)
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(zhì)是屏蔽雙絞線STP，采用命令/響應(yīng)通訊方式主從式通訊結(jié)構(gòu)。
2.2 XDPS-400系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊特點(diǎn)
高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，節(jié)點(diǎn)間自由通訊，節(jié)點(diǎn)可配置在系統(tǒng)中的任何位置，非常靈活。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)狀態(tài)對(duì)各節(jié)點(diǎn)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(luò)的通訊負(fù)荷，保證了可靠性。網(wǎng)上的各種節(jié)點(diǎn)由Intel OEM單板或用通用的工業(yè)PC機(jī)構(gòu)成，網(wǎng)卡也是通用的以太網(wǎng)卡，具有兼容的升級(jí)換代能力。由于信息高速公路采用標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)品。
XDPS-400系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)特點(diǎn)：
(1)提供廣播所有網(wǎng)上設(shè)備的高速數(shù)據(jù)鏈路。所有節(jié)點(diǎn)共享整個(gè)XDPS分布式全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，無通訊瓶頸。
(2)XDPS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高速公路信息的傳播不需要中間站的存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)發(fā)，使得通訊網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)極為方便。
(3)所有DPU站和MMI站均掛接于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高速公路實(shí)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(shí)時(shí)管理信息與實(shí)時(shí)控制信息彼此分開，真正實(shí)現(xiàn)信息控制。
2.3 XDPS-400系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀分析
2.3.1 通訊結(jié)構(gòu)的不足之處
珠江電廠的XDPS-400系統(tǒng)在應(yīng)用中基本滿足電廠控制的實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性要求，但受技術(shù)條件所限，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在以下不足之處。
(1)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率較高 因珠江電廠控制節(jié)點(diǎn)(DPU)數(shù)量較多(共36個(gè))，雖然已將整個(gè)DCS網(wǎng)絡(luò)分成了4段，但各段通訊負(fù)荷仍然較高，達(dá)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(dá)到11.4%，遠(yuǎn)大于以太網(wǎng)碰撞率的一般要求(應(yīng)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(huì)引起I/O通訊出錯(cuò)。
(3)主干網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)集中 作為網(wǎng)段之間互聯(lián)的交換機(jī)如果出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致某個(gè)網(wǎng)絡(luò)(A網(wǎng)或B網(wǎng))故障;用于將同軸電纜轉(zhuǎn)換為雙絞線的轉(zhuǎn)換器如果出現(xiàn)故障，也將引起某段網(wǎng)絡(luò)無法與其它網(wǎng)段通訊。
2.3.2 應(yīng)用中存在的問題
(1)多次出現(xiàn)I/O點(diǎn)跳變，造成自動(dòng)調(diào)節(jié)波動(dòng)，3號(hào)機(jī)組DCS曾因“網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴”而出現(xiàn)癱瘓，分析其原因都與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊有關(guān)，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(diǎn)分辨率無法滿足規(guī)程要求。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率偏高，3號(hào)機(jī)組系統(tǒng)性能測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)最高負(fù)荷率達(dá)到24.5%，碰撞率達(dá)到11.4%，遠(yuǎn)大于規(guī)程要求，導(dǎo)致傳輸延遲。珠江電廠DCS網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率及碰撞率情況見表1。
(3)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，MMI站所用PCI總線的網(wǎng)卡(帶BNC接口)已停產(chǎn)，備品困難，影響DCS的正常維護(hù)。
(4)作為網(wǎng)段轉(zhuǎn)換用的集線器和網(wǎng)段之間互聯(lián)的交換機(jī)如果出現(xiàn)故障，CRT自檢畫面無報(bào)警信息，因此缺乏檢測(cè)監(jiān)視手段。
(5)DPU負(fù)荷較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致信息誤變。
2.4 通訊網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造對(duì)策及其效果
2.4.1 升級(jí)改造對(duì)策
鑒于DCS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在的問題，珠江電廠決定對(duì)DCS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)改造：(1)主干網(wǎng)絡(luò)A、B網(wǎng)從總線以太網(wǎng)升級(jí)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(jī)，它的自愈、容錯(cuò)等性能更能滿足DCS的需要;(2)DPU低層通訊網(wǎng)從Bitbus升級(jí)為以太網(wǎng);(3)C網(wǎng)是非實(shí)時(shí)控制網(wǎng)，從總線結(jié)構(gòu)升級(jí)為星型結(jié)構(gòu)，采用低廉的D-LINK24口交換機(jī)連接。珠江電廠DCS網(wǎng)絡(luò)升級(jí)后結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.4.2 升級(jí)后的效果
珠江電廠2號(hào)、4號(hào)機(jī)組DCS網(wǎng)絡(luò)升級(jí)后，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性、可維護(hù)性均有提高，完全能滿足電廠控制要求。
(1)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率 網(wǎng)絡(luò)升級(jí)后，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率大幅降低(表2)，通訊效率得以提高。
(2)DPU負(fù)荷率 網(wǎng)絡(luò)升級(jí)后DPU負(fù)荷率比原來下降50%～80%(表3)，可避免網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)DPU復(fù)位的現(xiàn)象。
(3)網(wǎng)絡(luò)速率及通訊媒體 主干網(wǎng)絡(luò)速率由10 Mbit/s升級(jí)到100Mbit/s，I/O通訊速率從Bitbus 375kbitls升級(jí)到BCnet 10 Mbit/s，提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(qiáng)，減少了I/O驅(qū)動(dòng)出錯(cuò)的幾率。
(4)網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性 升級(jí)前，總線型網(wǎng)絡(luò)中任一傳輸介質(zhì)或傳輸設(shè)備的故障，都將導(dǎo)致原來一體的網(wǎng)絡(luò)被分割為各自獨(dú)立的兩段，從而引發(fā)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通訊中斷;升級(jí)后，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的核心部件——RS2-FX/FX光纖交換機(jī)在整個(gè)環(huán)形物理網(wǎng)絡(luò)中作為邏輯斷點(diǎn)存在，即環(huán)形以太網(wǎng)雖然在物理上是個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，但在邏輯上還是個(gè)總線結(jié)構(gòu)。當(dāng)某一段光纖或某一個(gè)交換機(jī)發(fā)生故障時(shí)，環(huán)形網(wǎng)在物理上退化為總線型網(wǎng)絡(luò)，但邏輯總線特征并未發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)一如通常的總線型或星型網(wǎng)絡(luò)正常工作。升級(jí)后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力大大加強(qiáng)，可靠性提高。實(shí)時(shí)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(gè)斷點(diǎn)(最大允許)后仍可進(jìn)行工作。I/O總線全部采用冗余的BCnet通訊，相對(duì)于原來的Bitbus總線，通訊速率大大提高，故障容錯(cuò)性能提高。
(5)系統(tǒng)維護(hù) HIRCHMANN交換機(jī)具有自檢故障輸出觸點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)軟件，有利于系統(tǒng)維護(hù)。
三、結(jié) 論
(1)環(huán)形以太網(wǎng)技術(shù)在珠江電廠DCS中的應(yīng)用是成功的，該技術(shù)既保留了以太網(wǎng)廉價(jià)高效，兼容性好的特點(diǎn)，又加強(qiáng)了其實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性，完全能滿足電廠生產(chǎn)需要;雖然以太網(wǎng)有不確定性和重載下低性能的缺點(diǎn)，但可通過提高速率和降低負(fù)荷等手段來提高網(wǎng)絡(luò)通訊性能，因此工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)控制上的應(yīng)用是可行的。
(2)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，由于標(biāo)準(zhǔn)開放，DCS制造商能夠根據(jù)需要方便地升級(jí)整個(gè)通訊系統(tǒng)性能，因此可降低生產(chǎn)成本。
(3)一個(gè)成熟的DCS，通訊網(wǎng)絡(luò)類型選擇只是一個(gè)重要方面，還有很多其它關(guān)鍵技術(shù)可以提高整個(gè)DCS的通訊效率和通訊實(shí)時(shí)性，如信息壓縮技術(shù)、事件報(bào)告技術(shù)等。因此DCS制造商根據(jù)工業(yè)控制特點(diǎn)和要求，在選擇好網(wǎng)絡(luò)類型后，既要合理地開發(fā)、利用通訊技術(shù)以提高通訊效率，也要充分考慮到通訊故障時(shí)的各種保護(hù)，以確保工業(yè)控制的安全可靠性。
（轉(zhuǎn)載）
