以太網(wǎng)在分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用

孫博偉

文章首先對(duì)分布式控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)分布式控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行論述。期望通過(guò)本文的研究能夠?qū)Ψ植际娇刂葡到y(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的提升有所幫助。

【關(guān)鍵詞】分布式控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù) 應(yīng)用

1 分布式控制系統(tǒng)特點(diǎn)分析

分布式控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DCS，通常采用分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)，每一級(jí)由若干子系統(tǒng)組成，每一個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)若干特定的有限目標(biāo)，形成多層金字塔結(jié)構(gòu)。在這種多層結(jié)構(gòu)下，DCS的功能更加完善，風(fēng)險(xiǎn)分散能力更強(qiáng)，使DCS擁有良好的應(yīng)用靈活性和運(yùn)行穩(wěn)定性，進(jìn)而提高對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的管控能力。

對(duì)于DCS的集中管理功能而言，不僅能夠統(tǒng)一管理現(xiàn)場(chǎng)各類信息，實(shí)現(xiàn)信息共享和資源優(yōu)化配置，而且還能夠利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將分散的設(shè)備、人員集中起來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度；對(duì)于DCS的分散控制功能而言，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員進(jìn)行分別控制，實(shí)施針對(duì)性的控制方案，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率，提升系統(tǒng)控制的信息化水平。

2 分布式網(wǎng)絡(luò)通信模型研究

對(duì)于DCS而言，網(wǎng)絡(luò)通訊是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間互聯(lián)互通的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為此，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)要求除了能夠?qū)崿F(xiàn)上層的通信機(jī)制外，還應(yīng)當(dāng)可以滿足同步控制時(shí)主站與從站之間的網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)同步性。現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)是DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接最為常用的兩種方案，鑒于搭建現(xiàn)場(chǎng)總線的耗時(shí)較長(zhǎng)加之成本較高，所以最佳的網(wǎng)絡(luò)連接方案為工業(yè)以太網(wǎng)，下面本文基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的硬件連接，通過(guò)對(duì)應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)一款能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸?shù)姆植际骄W(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的有效通信。

2.1 主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊

（1）當(dāng)DCS系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，上位機(jī)會(huì)先對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行檢查，若此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)處于繁忙狀態(tài)，則會(huì)提示用戶當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)無(wú)控制權(quán)，需要等待，如果網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài)，上位機(jī)則會(huì)發(fā)送HCSOC（同步開(kāi)始幀），同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)設(shè)定為同步，隨后，上位機(jī)將會(huì)一直保持在監(jiān)聽(tīng)的狀態(tài)。

（2）當(dāng)下位機(jī)的主站接受到上位機(jī)發(fā)送來(lái)的HCSOC之后，會(huì)預(yù)先完成網(wǎng)絡(luò)同步的相關(guān)準(zhǔn)備工作，確認(rèn)同步參數(shù)正確無(wú)誤后，便開(kāi)始發(fā)送SOC，當(dāng)各個(gè)下位機(jī)接收到SOC后，將會(huì)與主站同步運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖1所示。

（3）當(dāng)同步階段結(jié)束之后，上位機(jī)則會(huì)再次獲取網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)限。

2.2 下位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊

對(duì)于DCS系統(tǒng)中的下位機(jī)而言，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊的過(guò)程中，需要先完成網(wǎng)卡芯片的初始化，具體包括網(wǎng)絡(luò)通訊參數(shù)的設(shè)置以及各個(gè)站點(diǎn)號(hào)的設(shè)定等環(huán)節(jié)。

2.2.1 下位機(jī)主站的網(wǎng)絡(luò)通訊

（1）當(dāng)下位機(jī)主站上電之后，會(huì)先進(jìn)行初始化，在此過(guò)程中其會(huì)始終保持對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的監(jiān)聽(tīng)，若是接收到網(wǎng)絡(luò)異步數(shù)據(jù)包，則下位機(jī)主站會(huì)完成異步參數(shù)的設(shè)置，而站點(diǎn)則會(huì)將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到寄存器當(dāng)中，并進(jìn)行校驗(yàn)，同時(shí)將結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)，并繼續(xù)繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。

（2）當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到主機(jī)同步幀以后，便會(huì)進(jìn)入同步運(yùn)轉(zhuǎn)，下位機(jī)主站會(huì)對(duì)與同步運(yùn)轉(zhuǎn)有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行檢查，確認(rèn)正確無(wú)誤，即可開(kāi)始同步加工，此時(shí)將會(huì)發(fā)送一個(gè)包含同步加工參數(shù)信息的SOC，各個(gè)從站開(kāi)始同步。

（3）在一段時(shí)間之內(nèi)，若是下位機(jī)主站未收到從站反饋回來(lái)的信息，將會(huì)發(fā)出網(wǎng)絡(luò)同步超時(shí)錯(cuò)誤的提示，當(dāng)收到最后一個(gè)同步回應(yīng)幀時(shí)，便會(huì)進(jìn)入到下一個(gè)同步周期或是結(jié)束同步，此時(shí)下位機(jī)主站會(huì)自行判斷同步是否結(jié)束，確認(rèn)結(jié)束將會(huì)發(fā)送SCend。

2.2.2 下位機(jī)從站的網(wǎng)路通訊

（1）下位機(jī)從站會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果收到異步數(shù)據(jù)下載，便會(huì)進(jìn)入到相應(yīng)的下載階段，若此時(shí)的從站正處于同步階段，則在接收到上位機(jī)發(fā)出的同步強(qiáng)制結(jié)束幀，同步加工會(huì)隨之停止，隨后進(jìn)入到異步數(shù)據(jù)接收階段。

（2）當(dāng)下位機(jī)接收到由主機(jī)發(fā)送的HCSOC后，其會(huì)將所有網(wǎng)絡(luò)發(fā)送全部停止，開(kāi)始進(jìn)行同步加工準(zhǔn)備，此時(shí)仍然會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（3）若是各個(gè)下位機(jī)從站接收到主站發(fā)送的同步開(kāi)始幀后，所有下位機(jī)便會(huì)開(kāi)始同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

某電廠原本采用的是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的DCS系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了如下問(wèn)題：一是現(xiàn)場(chǎng)總線存在系統(tǒng)噪音問(wèn)題，這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要與總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，接口處采用的是TAP接頭，由于受現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境的影響，容易引起網(wǎng)絡(luò)噪音現(xiàn)象，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤報(bào)警；二是冗余問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)思想決定了低速運(yùn)行部分不需要設(shè)置冗余，雖然這在一定程度上使危險(xiǎn)得以分散，但若是總線發(fā)生故障，便可能造成機(jī)組停機(jī)。經(jīng)過(guò)研究后，該電廠決定對(duì)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的DCS系統(tǒng)進(jìn)行改造，將現(xiàn)場(chǎng)總線改為工業(yè)以外網(wǎng)，運(yùn)用基于工業(yè)以太網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，經(jīng)過(guò)改造后，上述問(wèn)題得以解決。

4 結(jié)論

綜上所述，在工業(yè)領(lǐng)域中分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛，分布式控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定與否，直接關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)效率，為進(jìn)一步提升分布式控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，可在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，合理運(yùn)用以太網(wǎng)通訊技術(shù)，通過(guò)以太網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中上位機(jī)與下位機(jī)的聯(lián)系。在未來(lái)一段時(shí)期，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)以太網(wǎng)通訊技術(shù)的研究力度，除對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行持續(xù)不斷地改進(jìn)和完善之外，還應(yīng)研發(fā)一些新的技術(shù)，從而使其能夠更好地為分布式控制系統(tǒng)服務(wù)，這對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性和可靠性的提升具有重要意義。

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作者單位

中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)有限公司 北京市 100120