分散控制系統(tǒng)中I/O模件通信實現(xiàn)方法分析

吳勝華，王丹麟

(國電南京自動化股份有限公司研究院，江蘇南京210003)

1 問題的提出

在分散控制系統(tǒng)(DCS)中往往涉及大量設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測與控制，這些設(shè)備狀態(tài)可能是模擬量信號輸入、模擬量信號輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、脈沖量輸入等。在DCS中要設(shè)置多個過程控制站，用以分擔(dān)整個系統(tǒng)的現(xiàn)場I/O模件和控制功能。每個(或1對冗余)過程控制站需要在200ms內(nèi)完成所有的工作任務(wù)，包括自身的各種運算、控制，與冗余控制站之間的數(shù)據(jù)同步，與數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)/人機(jī)界面系統(tǒng)(HMI)之間的通信以及與現(xiàn)場800到1000點實時數(shù)據(jù)的交換。

由于I/O層通信網(wǎng)絡(luò)對于整個DCS的實時性、可靠性和擴(kuò)充性起著決定性作用，因此，各廠家在這方面進(jìn)行了精心設(shè)計。對于DCS的I/O層通信網(wǎng)絡(luò)來說，它必須滿足實時性的要求，即在確定的時間內(nèi)完成信息傳送。“確定的時間”是指無論在何種情況下信息傳送都能在該時間內(nèi)完成，而該時間是根據(jù)被控制過程的實時性要求確定的。對于實用的大中型分散式控制系統(tǒng)來說，要求每個(或1對冗余)過程控制站完成1個運算周期及數(shù)據(jù)交換的時間在200ms以內(nèi)。因此，衡量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)并不是網(wǎng)絡(luò)的速率，而是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實時性，即能在多長時間內(nèi)確保所需信息傳輸完成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)必須可靠，無論在何種情況下，網(wǎng)絡(luò)通信都不能中斷。另外，為了滿足系統(tǒng)擴(kuò)充性的要求，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上實際使用的節(jié)點數(shù)只應(yīng)占可接入最大節(jié)點數(shù)的60%～80%。這樣，一方面可以隨時增加新的節(jié)點，另一方面也可以使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行處于較輕的通信負(fù)荷狀態(tài)，以確保系統(tǒng)的實時性和可靠性。在系統(tǒng)實際運行過程中，各個節(jié)點上網(wǎng)和下網(wǎng)隨時可能發(fā)生(特別是各種I/O模件)，會經(jīng)常進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，而這種操作絕對不能影響系統(tǒng)的正常運行，因此，系統(tǒng)應(yīng)該具有很強(qiáng)在線網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)功能。

2 實現(xiàn)方法

在DCS設(shè)計中，過程控制站和現(xiàn)場I/O模件之間通信的實現(xiàn)方式主要有4種。

2.1 方法1

第1種實現(xiàn)方法如圖1所示:設(shè)計專用智能通信處理模件(CP模件)來主動實現(xiàn)分配到本站內(nèi)所有I/O模件的數(shù)據(jù)交換;DPU和CP模件通過DPRAM方式實現(xiàn)所有輸入、輸出數(shù)據(jù)的交換，DPU在邏輯運行前讀入輸入數(shù)據(jù)，并在邏輯運行完畢后輸出數(shù)據(jù)。

圖1 第1種實現(xiàn)方法網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

優(yōu)點:DPU可以不用執(zhí)行和I/O模件的通信及報文解析任務(wù)，降低了DPU的負(fù)荷;和I/O模件的數(shù)據(jù)交換通過類似于內(nèi)存訪問的模式實現(xiàn)。對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的響應(yīng)時間最快只要求到50ms(汽輪機(jī)相關(guān)控制)，因此，對I/O層通信速率要求不高，通常RS485或者CAN總線即可滿足要求。

缺點:需要專用模件(CP模件)支撐，會增加一定的成本;對DPRAM的讀寫存在一定幾率的沖突，需要一定的讀寫時序來配合邏輯的實現(xiàn);現(xiàn)場數(shù)據(jù)的響應(yīng)時間隨著I/O模件的接入數(shù)量而變化。

國內(nèi)研制的大部分DCS均采用此實現(xiàn)方式。

2.2 方法2

第2種實現(xiàn)方法如圖2所示:DPU自身實現(xiàn)與現(xiàn)場I/O模件之間的通信以及報文解析任務(wù)。

圖2 第2種實現(xiàn)方法網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

優(yōu)點:網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單，一網(wǎng)到底，沒有中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。

缺點:DPU自身需要完成邏輯控制、實現(xiàn)與SCADA之間的通信、和冗余DPU之間的數(shù)據(jù)同步、和其他過程控制站之間的通信等任務(wù)，還需要增加處理與現(xiàn)場I/O模件之間通信以及報文解析的任務(wù)。因為增加的這個任務(wù)在一個控制周期(典型值200ms)內(nèi)要執(zhí)行多次，平均執(zhí)行周期為200ms/模件，所以，大大增加了DPU的負(fù)荷。

DL/T1083—2008《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)條件》中要求:控制處理器設(shè)定在滿足控制對象要求的運算處理周期條件下，負(fù)荷率最高不應(yīng)大于60%，平均負(fù)荷率不超過40%。基本沒有DCS采用此類實現(xiàn)方法。

2.3 方法3

第3種實現(xiàn)方法如圖3所示:整個網(wǎng)絡(luò)中分配數(shù)個CP模件(數(shù)量為1～6)，每個CP模件下掛數(shù)個I/O模件(數(shù)量為1～16)，各CP模件負(fù)責(zé)實現(xiàn)與下掛在各自I/O通信總線上的I/O模件之間的通信，DPU實現(xiàn)和各CP模件之間的通信。

圖3 第3種實現(xiàn)方法網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

優(yōu)點:現(xiàn)場I/O模件的響應(yīng)時間比第1種方法大大提高，最慢響應(yīng)時間可事先確定，基本為16個I/O模件的通信響應(yīng)時間;與第2種方法相比，DPU雖也處理與現(xiàn)場I/O模件之間的通信以及報文解析任務(wù)，但在一個控制周期內(nèi)執(zhí)行此任務(wù)的次數(shù)大為降低，最多執(zhí)行6次，對DPU的負(fù)荷影響不大。

缺點:DPU和CP模件之間以及CP模件和I/O模件之間的通信協(xié)議不一樣，增加了研制的難度，成本比第1種實現(xiàn)方法略高。

綜合比較，此實現(xiàn)方法性價比較高，國外DCS基本采用此類實現(xiàn)模式。

2.4 方法4

第4種實現(xiàn)方法如圖4所示:其與第3種實現(xiàn)方法唯一的區(qū)別是增加了1個主CP模件來管理各個子CP模件;此方法結(jié)合了第1種及第3種實現(xiàn)方法的特點。

圖4 第4種實現(xiàn)方法網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

優(yōu)點:與第1種實現(xiàn)方法相比，此實現(xiàn)方法DPU負(fù)荷相同，但I(xiàn)/O模件的響應(yīng)速度大大提高;與第3種實現(xiàn)方法相比，I/O模件的響應(yīng)速度一致，DPU負(fù)荷略有降低。

缺點:和I/O模件之間的通信通過兩級CP模件管理實現(xiàn)，DPU對I/O模件的組態(tài)實現(xiàn)比較復(fù)雜;操作時序以及故障判斷的復(fù)雜性大為增加。

有部分DCS采用此實現(xiàn)方法，但用者較少。

3 結(jié)論

通過列舉過程控制站和現(xiàn)場I/O模件之間通信的4種實現(xiàn)方法，從實時性、經(jīng)濟(jì)性及實現(xiàn)的難易程度等方面進(jìn)行了分析。參照上述分析結(jié)果，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用場合的不同而選擇合適的DCS。