多機組控制系統(tǒng)網(wǎng)絡配置優(yōu)化方案應用

摘要：由于DCS系統(tǒng)在全廠設備中的核心地位，國內(nèi)諸多的電廠DCS系統(tǒng)采用進口設備，對進口DCS系統(tǒng)的軟件和硬件的設置和配置了解都不夠深入，很難在技術上有所突破，很多方面都受制于人，更不會輕易對網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行改造和設置，DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡配置優(yōu)化改造項目的實施，是對西門子網(wǎng)絡設計的一次突破和改良，更是是對最初設計的一次全面優(yōu)化，在技術上也是一次巨大的創(chuàng)新。

關鍵詞：TXP;OSM/ESM;網(wǎng)絡屏蔽

1系統(tǒng)概述

某電廠一期工程4×600WM機組DCS系統(tǒng)采用西門子TXP系統(tǒng)，4臺機組從2005年底相繼投入商業(yè)運行.其中伴隨2號機組的公用系統(tǒng)最早投入使用。DCS系統(tǒng)在單元機組上層分別配置了3對PU過程服務器，1對SU歷史數(shù)據(jù)存儲服務器和5臺OT操作員站，同時配置一臺ES680工程師站，公用系統(tǒng)配置輛1對PSU服務器。TXP系統(tǒng)采用雙層虛擬環(huán)網(wǎng)技術，快速以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡節(jié)點采用多個OpticalSwitchMoudle（OSM）ITP62連接，其中工廠總線網(wǎng)絡負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的采集和運算處理的通訊工作，終端網(wǎng)絡負責反饋設備運行狀態(tài)和接收手動操作指令的基本工作等。

在DCS系統(tǒng)的配置方面，4臺單元機組和公用系統(tǒng)分別采用1套DCS系統(tǒng)，同時為能實現(xiàn)4臺機組對公用系統(tǒng)設備操作監(jiān)控的基本功能，設計了單元機組通過DCS系統(tǒng)終端網(wǎng)絡分別和公用系統(tǒng)終端網(wǎng)絡互聯(lián)互通，達到報警信息能同時觸發(fā)，并且能同時操作公用系統(tǒng)設備的目的。而工廠總線網(wǎng)絡則只與2號機組總線網(wǎng)絡連接，且設置單向傳輸方式，同時公用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和2號機組公用1臺ES680工程師站。由于各個單元機組終端網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)通過OSM與公用系統(tǒng)終端網(wǎng)絡連接的特殊性，造成了4臺機組相互之間的互通互聯(lián)，在特定情況下極易造成單元機組網(wǎng)絡故障擴大影響到其他單元機組包括公用系統(tǒng)。為解決這一潛在隱患，必須對終端網(wǎng)絡進行改造，并且屏蔽隔離某些設備，限制終端網(wǎng)絡之間服務器的相互干擾。

2 TXP系統(tǒng)網(wǎng)絡（LAN）結(jié)構(gòu)功能介紹

西門子TXP系統(tǒng)在AP與OM650系統(tǒng)各部份間的通訊（LAN），是以SINEC H1 總線為基礎的，通訊速度達到100Mbits/s。

在物理上，它可以由同軸銅線或者光纜來連接。兩者間對電報的處理是一樣的。SINEC H1 FO最大允許使用距離為4300米，除此以外，SINEC H1 FO還具有抗磁性、抗電性，能與電流隔絕。SINEC H1 FO增加了虛擬環(huán)的單容錯的可靠性。系統(tǒng)的所有OSM連接成一個環(huán)結(jié)構(gòu)，并在某一點中斷開。在這斷開點處所有從兩邊到達的信號都會被全天候監(jiān)視著。如果一邊的信號消失或斷開，即為故障產(chǎn)生，斷開點自動閉合，于是重新形成了一個有效路徑。當故障排除后，‘虛擬環(huán)將再次被激活，閉合點斷開。

在網(wǎng)絡總線中，終端總線是連接OM650的PU、SU及OT的高速數(shù)據(jù)總線為工業(yè)以太網(wǎng)，遵循ISO/OSI的層結(jié)構(gòu)建立起來的國際標準通訊協(xié)議，其總線是通過光纜建立的局域以太網(wǎng)，采用IEEE802.3標準的CSMA/CD協(xié)議，傳輸速率為100M bit/s。

總線系統(tǒng)由若干個OSM（OpticalSwitchMoudle）模件組成。OSM模件為光纜總線接口總站，帶有自己的電源，通過OSM模件，T-XP系統(tǒng)的各成員以星型結(jié)構(gòu)連接在一起。

OSM的每個端口都能監(jiān)測診斷接收到的數(shù)據(jù)包，并將其計數(shù)累加。監(jiān)視的內(nèi)容包括：

1、CRC：循環(huán)冗余校驗; 2、Jabbers：無效的CRC; 3、Under size：數(shù)據(jù)位數(shù)不夠; 4、Over size：數(shù)據(jù)位數(shù)超標; 5、Collisions：信息沖突

OSM模件具有下述特點：兩套獨立的電源，LED診斷，通過信號開關報告故障，遠程管理。

工廠總線（PLANTBUS）承擔DCS系統(tǒng)各子系統(tǒng)間（AS620、OM650、ES680）的通訊任務，工廠總線的原理與終端總線完全一樣，僅其接口模件的數(shù)量及類型因其所掛用戶不同而有所不同。

TELEPERM XP中與裝置總線相連的各個系統(tǒng)之間進行通信所用的協(xié)議 如下表

3 網(wǎng)絡配置優(yōu)化前公用系統(tǒng)和單元機組終端網(wǎng)絡連接狀態(tài)和存在的問題

全廠最初設計采用4臺機組采用獨特的四機一控結(jié)構(gòu)，運行集控中心突破傳統(tǒng)的現(xiàn)場布置方式，將4臺機組集控中心統(tǒng)一放置在汽輪機平臺前面，為運行人員營造了更加安靜的工作空間。同時相應的DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡也采用了四機一控的分布方式，即公用系統(tǒng)網(wǎng)絡通過冗余的網(wǎng)橋分別和4臺機組網(wǎng)絡互聯(lián)互通。其簡單拓撲結(jié)構(gòu)圖如下（一）

這種連接方式，不僅實現(xiàn)了4臺機組可以同時操作和監(jiān)控公用系統(tǒng)設備，而且因為每臺機組都采用冗余網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)，物理結(jié)構(gòu)上極大的提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡的可靠性。但與此同時，也存在了相當大的弊端，一方面4臺機組運行人員都可以同時操作公用系統(tǒng)，極易出現(xiàn)不同機組之間的搶操和誤操，為了保證這些人為因素的不出現(xiàn)，有運行人員制定相應制度來消除這方便的隱患。另外一方面，由于西門子網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的本身特性，極易造成公用系統(tǒng)和單元機組網(wǎng)絡堵塞，且事故可能擴大影響到其他機組，在采用的冗余網(wǎng)橋設備上存在較大的安全隱患。

冗余網(wǎng)橋短接線在實現(xiàn)單元機組和公用系統(tǒng)之間的通訊連接上起到了直觀關重要的作用。在OSM作為節(jié)點的網(wǎng)絡設備上，與外網(wǎng)實現(xiàn)冗余方式連接必須要使用短接線，并且接在端口Port1上。然后在OSM上對撥碼開關進行相應的設置，從而到達冗余網(wǎng)橋通訊的主從之分。

某電廠從2009年開始關注TXP系統(tǒng)網(wǎng)絡問題，并收集各方面資料，從2010年初開始立項研究對西門子TXP系統(tǒng)終端網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的改造和完善，同時，也是解決安全隱患的需要。2010年3月份，國華公司聯(lián)合系統(tǒng)內(nèi)多家電廠在南京西門子電站公司召開關于網(wǎng)絡隱患治理的專題會議，與會的各個電廠DCS系統(tǒng)都是采用同樣或者是類似配置，同時，參加會議的有西門子系統(tǒng)的中國專家組，會議過程中就對系統(tǒng)網(wǎng)絡的改造展開激烈的辯論，經(jīng)過兩天的會議，最終由于各個方面原因未能達成共識，但要求在隨后利用有限時間搭建TXP系統(tǒng)網(wǎng)絡仿真平臺，模擬試驗單元機組和公用系統(tǒng)之間網(wǎng)絡設置和結(jié)構(gòu)改變所造成的影響。

2010年3月份在某電廠2號機組C203檢修過程中，搭建公用系統(tǒng)和單元機組網(wǎng)絡仿真平臺，同時，請到西門子專家共同研究，經(jīng)過兩天的試驗，并結(jié)合同行的交流經(jīng)驗，分析西門子TXP系統(tǒng)終端網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特點，認為對于OSM節(jié)點的網(wǎng)絡節(jié)點，在取消主從設置已經(jīng)RM設置后，可以將冗余的網(wǎng)絡改為單網(wǎng)形式，其次，在特定的設備網(wǎng)絡通訊端口，同時沒有設置STANDBY的OSM設備上可以通過填寫靜態(tài)列表實現(xiàn)對網(wǎng)絡上設備的屏蔽隔離?？紤]到網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的復雜性，試圖從有限的資料中找到有關設置，但說明書深度非常淺顯，這給我們真正的實施造成很大的壓力。在應用實踐方面，國華公司也出面到多家電廠考察參考，但都沒有相似或者是相同的設置經(jīng)驗。綜合考慮各方面的因素，決定編寫詳細的方案后在機組檢修期間，進行在線優(yōu)化試驗。

優(yōu)化的主要內(nèi)容包括：終端網(wǎng)絡設備結(jié)構(gòu)改變的安全操作方式，端口屏蔽設置點的選擇，軟件設置操作方法，應該的注意事項，已經(jīng)應用效果評估，系統(tǒng)風險等級，系統(tǒng)試驗與測試等

其中確定的關鍵技術主要有：

1）確定單元機組終端網(wǎng)絡與公用系統(tǒng)終端網(wǎng)絡采用單網(wǎng)橋方式連接的安全性和可靠性

2）單元機組終端網(wǎng)絡與公用系統(tǒng)終端網(wǎng)絡采用單網(wǎng)橋方式連接的安全可靠情況下，再對單元機組的OSM進行端口屏蔽，確定屏蔽的有效性.和單元機組的終端網(wǎng)的安全可靠性.

3）評估其推廣應用的可行性

3 網(wǎng)絡配置優(yōu)化主要的技術創(chuàng)新方面

改造前后冗余網(wǎng)橋的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

3.1取消終端網(wǎng)絡的冗余結(jié)構(gòu)配置

TXP系統(tǒng)終端網(wǎng)絡采用ESM/OSM做為網(wǎng)絡節(jié)點，使用光纖電纜連接，通過網(wǎng)橋耦合虛擬環(huán)，開放通訊，以太網(wǎng)訪問模式，并且總線采用 TCP/IP 協(xié)議，遵循ISO/OSI 規(guī)約結(jié)構(gòu)，與公共網(wǎng)使用網(wǎng)橋聯(lián)接每臺機組，具有單容錯方式，高可用率。其冗余采用二選一方式，通過人工設置主從關系來實現(xiàn)，正常情況下，主側(cè)線路運行，從側(cè)線路備用，在端口監(jiān)視到主側(cè)線路故障后，從側(cè)線路自動與其連接，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡的安全穩(wěn)定。此次項目實施過程，首先將單元機組和公用系統(tǒng)完全隔離，取消主從設置后，使用單根網(wǎng)絡實現(xiàn)單元機組和公用系統(tǒng)的連接。

3.2通過設置靜態(tài)列表屏蔽隔離4臺機組之間網(wǎng)絡互聯(lián)互通功能

靜態(tài)列表功能是通過軟件設置來實現(xiàn)，西門子網(wǎng)絡節(jié)點中都可以采用該設置，通過有目的性的設置靜態(tài)列表，達到的有針對性的網(wǎng)絡信息屏蔽隔離，從而能有效的阻止4臺機組之間的網(wǎng)絡互通。

4 網(wǎng)絡優(yōu)化前后對比

（1）取消冗余連接方式后，同時也取消了冗余短接線，在很大程度了減少了由于短接線的故障造成網(wǎng)絡癱瘓的可能性，消除了DCS系統(tǒng)重大隱患，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

（2）取消單元機組和公用系統(tǒng)之間連接線的冗余連接后，讓機組之間的冗余配置更加合理，盤柜網(wǎng)絡接線連接更加簡潔，清晰，明了，便于單元機組的檢修。

（3）有目的的屏蔽對單元機組之間通過共用系統(tǒng)連接，改變網(wǎng)絡連接的隨意性，有效保證網(wǎng)絡負荷在正常的標準

（4）優(yōu)化應用后，外系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)單元機組和共用系統(tǒng)通訊連接出現(xiàn)的問題明顯減少，四機一控的網(wǎng)絡更加安全可靠。

5?網(wǎng)絡配置優(yōu)化過程中遇到的問題分析和對策

（1）在對冗余網(wǎng)橋的改造過程中，由于涉及到公用系統(tǒng)，同時機組多數(shù)在運行狀態(tài)，所有改造過程的操作要相當?shù)男⌒?，為保證改造操作的順利和安全進行，我們提前制定了詳細的DCS系統(tǒng)應急預案，成立實施操作指揮組、執(zhí)行組、緊急搶修組，并會同運行人員做好相應的應急準備。為保證安全，一定要提前搞清楚網(wǎng)絡節(jié)點的每一跟連接線，防止誤動造成不可預計的后果。由于沒有準確的評估網(wǎng)絡通訊正常的標準，在對局部進行改造后，要嚴格按照事先的順序，一步一步操作，并要有專人負責對網(wǎng)絡負荷的檢查。

（2）OSM上設置端口屏蔽只能在單網(wǎng)橋方式進行，在冗余網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)中，是不能實現(xiàn)這一功能。同時，在OSM上能夠檢測到通過信息的數(shù)量和丟失數(shù)據(jù)的信息，以初步判斷網(wǎng)絡狀態(tài)

（3）在虛擬環(huán)網(wǎng)中，不要對RM設置的 OSM進行端口屏蔽操作，如果單元機組和公用系統(tǒng)通訊連接的OSM正好被設置為RM時，不能進行端口屏蔽操作，需要到其他OSM上進行。

（4）需要注意的是在冗余網(wǎng)橋配置下的網(wǎng)絡上，是不能對OSM進行屏蔽優(yōu)化工作的。

6 結(jié)束語：

本項目結(jié)合應用人員長時間的經(jīng)驗總結(jié)積累，經(jīng)多方面專家和同行的交流，討論，最終確定實施方案，成功應用實施，至今全廠DCS系統(tǒng)設備運行平穩(wěn)可靠，單元機組和公用系統(tǒng)通訊連接出現(xiàn)的問題明顯減少，四機一控的網(wǎng)絡更加安全可靠。

參考文獻

[1] TELEPERM XP OSM總線手冊???南京西門子公司提供

[2] TXP系統(tǒng)維護手冊???????南京西門子公司提供（隨機資料）

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[4] DL/T 774-2004《火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)檢修運行維護規(guī)程》

[5] 《以太網(wǎng)標準IEEE802.3》

作者簡介：張丁月，性別：男，出生年月：1982年09月，籍貫：河南省南陽市，學歷：本科。

（作者單位：神華國華孟津發(fā)電有限公司）