大型DCS系統(tǒng)中工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議的設(shè)計與應(yīng)用

方 壘，李今朝，陳奎兆

（杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州310018）

DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是DCS的基礎(chǔ)和核心。DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對于DCS整個系統(tǒng)的實時性、可靠性起著決定性的作用。以太網(wǎng)以辦公自動化為目標(biāo)設(shè)計，其獨特的優(yōu)勢在商業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用也越來越普及。但是將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域還存在明顯的缺陷。

（1）不滿足工業(yè)系統(tǒng)確定性、實時性要求[1-2]。

由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得網(wǎng)絡(luò)上存在沖突，特別是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過大時，沖突更加明顯。對于一個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如果存在著大量的沖突，就必須多次重發(fā)數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)間通信的不確定性大大增加，信息不能按要求實時傳輸。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中這種從一處到另一處數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性會帶來系統(tǒng)控制性能的降低，甚至引發(fā)設(shè)備與人身安全事故。

（2）不滿足工業(yè)系統(tǒng)可靠性要求。

在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中。當(dāng)以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場，面對惡劣的工況或嚴(yán)重的線間干擾時，會引起可靠性的降低。在DCS系統(tǒng)中，需要通過設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的冗余來保證系統(tǒng)的可靠性。

在此背景下，本文提出一種可以解決傳統(tǒng)以太網(wǎng)缺陷[3-4]的應(yīng)用于DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——DNet（Determinate Net Protocal）。DNet是以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，為滿足工業(yè)DCS系統(tǒng)特點而設(shè)計的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)。

1 DNet技術(shù)簡介

DNet協(xié)議是處于應(yīng)用層與驅(qū)動層之間的協(xié)議技術(shù)，在系統(tǒng)中的位置與TCP/IP協(xié)議平行。DNet的核心模塊是令牌調(diào)度模塊，令牌調(diào)度模塊使用令牌環(huán)調(diào)度技術(shù)來實現(xiàn)。系統(tǒng)中所有節(jié)點首先注冊到令牌環(huán)中，通過令牌來控制數(shù)據(jù)發(fā)送的權(quán)限，擁有令牌的節(jié)點才有發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)限。令牌是指網(wǎng)絡(luò)中很小的包含網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息的數(shù)據(jù)包。在網(wǎng)絡(luò)中，任何時候都只有一個節(jié)點擁有令牌。令牌環(huán)中的節(jié)點收到令牌后發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后再將令牌發(fā)送給令牌環(huán)中的下一個節(jié)點。令牌環(huán)節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖1所示。

通過令牌調(diào)度模塊，控制數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)限，保證了任何時候DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)只有一個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)，解決了以太網(wǎng)MAC層協(xié)議CSMA/CD引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)沖突。保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和實時性。為了滿足工業(yè)系統(tǒng)可靠性要求，設(shè)計實現(xiàn)了雙網(wǎng)冗余，當(dāng)數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，通過DNet協(xié)議技術(shù)可以快速無擾切換到冗余網(wǎng)絡(luò)。

DNet協(xié)議在系統(tǒng)中的位置與TCP/IP協(xié)議平行。DNet協(xié)議在系統(tǒng)中的位置如圖2所示。

2 DNet主要功能

通過DNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)，主要實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信的下述功能：

（1）數(shù)據(jù)通信。支持基于以太網(wǎng)報文的節(jié)點間任意點對點通信與廣播通信方式；

（2）雙網(wǎng)冗余。支持雙以太網(wǎng)冗余通信，通信主網(wǎng)故障時，可以快速無擾切換至冗余網(wǎng)通信；

（3）站間引用。支持DCS系統(tǒng)I/O站站間數(shù)據(jù)引用；

（4）域間引用。支持DCS系統(tǒng)多域之間數(shù)據(jù)引用。

通過DNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)，使DCS系統(tǒng)滿足了下述性能：

（1）數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性、實時性。通過令牌環(huán)模塊控制數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)限，保證了任何時候DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)只有一個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)，解決了以太網(wǎng)MAC層協(xié)議CSMA/CD引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)沖突；保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和實時性。

（2）安全性。DNet協(xié)議是專用協(xié)議，對于病毒等第三方軟件，該協(xié)議的入口是保密的，垃圾數(shù)據(jù)不會通過DNet協(xié)議發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。

（3）DNet協(xié)議支持的網(wǎng)絡(luò)最大節(jié)點數(shù)為 255個，可以滿足大部分DCS系統(tǒng)的規(guī)模要求。

（4）兼容性。DNet協(xié)議能自動綁定網(wǎng)卡，收發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，可以在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)網(wǎng)卡和交換器上傳輸。

3 DNet設(shè)計方法

DNet協(xié)議技術(shù)的實現(xiàn)主要是令牌環(huán)模塊的實現(xiàn)，如何調(diào)度組織令牌環(huán)是DNet協(xié)議技術(shù)的核心。令牌環(huán)的管理包括令牌環(huán)的生成、令牌環(huán)中主節(jié)點的選取、令牌環(huán)中節(jié)點離線的處理、令牌在令牌環(huán)中的傳遞管理以及令牌環(huán)遇到故障時的處理等。

3.1 令牌環(huán)的生成

令牌環(huán)包括一個主節(jié)點和多個從節(jié)點，從節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通過向主節(jié)點注冊后才加到該令牌環(huán)的，其中注冊過程在每次令牌傳遞一周后進(jìn)行。令牌環(huán)的生成步驟如圖3所示。

3.2 令牌環(huán)主節(jié)點的選取

令牌環(huán)中的主節(jié)點負(fù)責(zé)令牌環(huán)的管理以及令牌調(diào)度。主節(jié)點的選取根據(jù)下述流程進(jìn)行：在節(jié)點啟動時，默認(rèn)該節(jié)點為主節(jié)點并為該節(jié)點配置一個令牌沉默超時計數(shù)器，如果在預(yù)先設(shè)置的時間內(nèi)沒有得到令牌，則確定當(dāng)前的主節(jié)點離線，觸發(fā)所述令牌沉默超時計數(shù)器，發(fā)送搶主信息，參與搶主。如果該節(jié)點成為主節(jié)點后，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)比該節(jié)點優(yōu)先級更高的節(jié)點，則該節(jié)點從主節(jié)點降為從節(jié)點；如果在同一時刻多個從節(jié)點試圖變?yōu)橹鞴?jié)點時，根據(jù)預(yù)定的優(yōu)先級順序，優(yōu)先級低的放棄。令牌環(huán)節(jié)點的主從狀態(tài)遷移如圖4所示。

圖4 令牌環(huán)節(jié)點主從狀態(tài)遷移圖

3.3 從節(jié)點的離線處理

當(dāng)從節(jié)點離線時，會導(dǎo)致主節(jié)點發(fā)出的令牌不能回到主節(jié)點，如果連續(xù)3次發(fā)出的令牌都超時，且未能收回，主節(jié)點認(rèn)為令牌環(huán)斷開，主節(jié)點需要將當(dāng)前在線節(jié)點列表清空，并重復(fù)發(fā)起節(jié)點在線注冊過程，重新生成令牌環(huán)。

3.4 令牌在令牌環(huán)中的傳遞

令牌是指網(wǎng)絡(luò)中很小的包含網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息的數(shù)據(jù)包。令牌在令牌環(huán)中的傳遞步驟，如圖5所示。

當(dāng)所述令牌最后轉(zhuǎn)發(fā)到所述主節(jié)點時，當(dāng)前的令牌轉(zhuǎn)發(fā)周期結(jié)束，進(jìn)入下一個令牌轉(zhuǎn)發(fā)周期。

3.5 令牌丟失處理

如果所述令牌在轉(zhuǎn)發(fā)過程中丟失，觸發(fā)所述主節(jié)點重新開始一個令牌傳遞循環(huán)，不會發(fā)起重新建立令牌環(huán)的過程。如果連續(xù)3次發(fā)生令牌丟失，則需要重新建立令牌環(huán)。

4 DNet典型應(yīng)用

以臺山火電現(xiàn)場與紅沿河核電現(xiàn)場的現(xiàn)場應(yīng)用為例，介紹DNet技術(shù)在DCS系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

4.1 DNet技術(shù)在臺山百萬千瓦火電現(xiàn)場的應(yīng)用

臺山項目單機(jī)組DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單示意圖如圖6所示。

系統(tǒng)網(wǎng)使用DNet協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。通過DNet協(xié)議實現(xiàn)了數(shù)據(jù)服務(wù)器對54個主控單元的數(shù)據(jù)采集與控制，每個主控支持20 000通信點項的要求。數(shù)據(jù)采集周期為500 ms，即在500 ms內(nèi)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器可以完成對54個主控單元的數(shù)據(jù)采集。操作員站對主控的數(shù)據(jù)控制可以在250 ms內(nèi)完成。如果系統(tǒng)網(wǎng)有任意一段網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，可以通過DNet協(xié)議實現(xiàn)雙網(wǎng)無擾切換，保證數(shù)據(jù)通信的連續(xù)性與可靠性。

4.2 DNet技術(shù)在紅沿河核電現(xiàn)場的應(yīng)用

紅沿河項目單機(jī)組DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單示意圖如圖7所示。

紅沿河核電項目的系統(tǒng)網(wǎng)配置比火電項目的配置更為復(fù)雜，包括35對主控單元、10對通信站和5對網(wǎng)關(guān)。主控單元支持20 000通信點項、通信站與網(wǎng)關(guān)支持30 000通信點項的要求。通過DNet協(xié)議保證數(shù)據(jù)采集服務(wù)器500 ms的數(shù)據(jù)采集周期。操作員站對主控的數(shù)據(jù)控制可以保證在250 ms內(nèi)完成。系統(tǒng)網(wǎng)任意一段網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，通過雙網(wǎng)無擾切換保證了數(shù)據(jù)通信的連續(xù)性與可靠性。

綜上所述，經(jīng)過在臺山火電現(xiàn)場與紅沿河核電現(xiàn)場的應(yīng)用，實踐已經(jīng)證明DNet工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議很好地滿足了DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的確定性、實時性、可靠性與安全性要求。

DNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)，采用了令牌控制數(shù)據(jù)包傳輸權(quán)限，使數(shù)據(jù)包傳輸過程中具有確定的傳輸時延，保證了數(shù)據(jù)包的傳輸確定性和實時性。通過DNet專屬協(xié)議，過濾掉網(wǎng)絡(luò)中不屬于此協(xié)議的數(shù)據(jù)包，減少了非法數(shù)據(jù)包的侵入，有效避免了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的產(chǎn)生以及對系統(tǒng)的沖擊，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。通過實現(xiàn)雙網(wǎng)冗余，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。采用DNet協(xié)議技術(shù)的和利時DCS系統(tǒng)MACS成功應(yīng)用于核電、火電、化工等行業(yè)近3 000個工業(yè)控制現(xiàn)場。實踐證明，DNet協(xié)議技術(shù)很好地滿足DCS系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)通信的要求，保證了DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性、實時性、可靠性和安全性。

[1]王常力，羅安.分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計與應(yīng)用實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]張文超，徐保國.工業(yè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[J].工業(yè)控制計算機(jī)，1991，4(4)：23-26.

[3]楊昌餛.正在進(jìn)入控制領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)[J].世界儀表與自動化，2001，5(11)：52-56

[4]WALSH G C，Ye Hong.Scheduling of networked control system[J].IEEE Control System Magazine,2001，2l（1）：57-65.