工业以太网技术在珠江电厂DCS中的应用
分散控制系统（DCS）是现代机组起停和运行的中枢系统，其区别于传统控制系统的关键在于具有一个完善的通讯系统。近年来，以太网技术发展迅速，网络传输速度从10Mbit/s发展到目前1000 Mbit/s，因此其在DCS主干通讯网的使用稳步上升。
一、以太网通讯的特点
（1）特点 以太网是遵循IEEE802.3标准的局域网，传输媒体可选择同轴电缆、双绞线、光纤。其主要通信特点是随机接入、载波监听、碰撞检测和冲突竞争。在每个站发送帧期间，需先监听网络，如网络繁忙则继续监听，如空闲则发送数据，一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发送一串阻塞信号，通知总线上各站冲突已发生，这样通道的容量不致因传送已损坏的帧而浪费。
（2）优缺点 工业控制采用以太网的有下列几个方面的明显优势：安装方便、低成本，具有良好的连接性，易于移植到高速网络。但是，当多个站点监听到空闲时而同时发送数据，将不可避免产生通讯冲突，而且通讯负荷越高，冲突越多，因此它具有传输不确定性和重载下低性能的缺点，也因此曾被认为不适合应用在实时性很强的工业控制中。
二、工业以太网在珠江电厂DCS中的应用
2.1 珠江电厂DCS网络结构
2.1.1 DCS主干通讯网络结构
珠江电厂DCS采用新华控制公司的XDPS-400系统，网络类型为以太网，网络结构为总线型，传送速率为0Mbit/s，传输介质是50Ω无源同轴电缆，带站能力zui大254个，通讯约定协议为广播式，点与点结构（图1）。
XDPS-400以一个高速的冗余实时数据网络（A网、B网）和一个信息网（C网）为基础，由多个节点构成。挂网的处理节点有数据处理站（DPU）和MMI站（工程师站、操作员站，历史数据站、中间计算站、外部系统接口站）构成一个具有过程控制、顺序控制和数据监视功能的分布式控制系统。实时数据网络共分4段，每段间用同轴电缆集线器连接，并转换为双绞线连接到切换型集线器（SWITCH HUB）与总线连接。信息网用于连接MMI的各种站点，并用于操作系统支持的文件传送及打印共享。
2.1.2 DPU分散处理单元低层通讯网络结构
DPU低层通讯采用高速串行总线的位总线连接DPU与I/O单元，通信协议符合EIA RS485规范，通讯传输速率375 kbit/s，通讯介质是屏蔽双绞线STP，采用命令/响应通讯方式主从式通讯结构。
2.2 XDPS-400系统网络通讯特点
高速数据通讯网是整个系统的核心，节点间自由通讯，节点可配置在系统中的任何位置，非常灵活。实时数据与实时状态对各节点是透明的，数据的传送采用周期传送和例外传送的数据交换形式，以降低网络的通讯负荷，保证了可靠性。网上的各种节点由In OEM单板或用通用的工业PC机构成，网卡也是通用的以太网卡，具有兼容的升级换代能力。由于信息高速公路采用标准的以太网和TCP/IP通讯协议，因而系统也易于容纳其它产品。
XDPS-400系统网络通讯技术特点：
（1）提供广播所有网上设备的高速数据链路。所有节点共享整个XDPS分布式全局数据库，无通讯瓶颈。
（2）XDPS实时数据高速公路信息的传播不需要中间站的存储或转发，使得通讯网络的维护极为方便。
（3）所有DPU站和MMI站均挂接于实时数据高速公路实现数据通讯，而所有MMI站又与信息以太网连接，使非实时管理信息与实时控制信息彼此分开，真正实现信息控制。
2.3 XDPS-400系统通讯网络应用现状分析
2.3.1 通讯结构的不足之处
珠江电厂的XDPS-400系统在应用中基本满足电厂控制的实时性、可靠性、安全性要求，但受技术条件所限，该系统网络结构存在以下不足之处。
（1）网络负荷率较高 因珠江电厂控制节点（DPU）数量较多（共36个），虽然已将整个DCS网络分成了4段，但各段通讯负荷仍然较高，达到15%～20%左右，已超过规范（小于20%）要求，致使碰撞率也偏高，B网达到11.4%，远大于以太网碰撞率的一般要求（应不大于5%），效率较低。
（2）I/O总线通讯速率较低 I/O通讯总线通讯速率只有375kbit/s，速率偏低，抗干扰能力较低，偶然情况下会引起I/O通讯出错。
（3）主干网络故障点集中 作为网段之间互联的交换机如果出现故障，将导致某个网络（A网或B网）故障；用于将同轴电缆转换为双绞线的转换器如果出现故障，也将引起某段网络无法与其它网段通讯。
2.3.2 应用中存在的问题
（1）多次出现I/O点跳变，造成自动调节波动，3号机组DCS曾因“网络风暴”而出现瘫痪，分析其原因都与系统网络通讯有关，尤其是I/O通讯总线为Bitbus 方式影响较大。
（2）由于系统通讯速率问题，目前系统中不同DPU之间的SOE点分辨率无法满足规程要求。系统网络负荷率偏高，3号机组系统性能测试时发现zui高负荷率达到24.5%，碰撞率达到11.4%，远大于规程要求，导致传输延迟。珠江电厂DCS网络负荷率及碰撞率情况见表1。
（3）随着计算机技术的发展，MMI站所用PCI总线的网卡（带BNC接口）已停产，备品困难，影响DCS的正常维护。
（4）作为网段转换用的集线器和网段之间互联的交换机如果出现故障，CRT自检画面无报警信息，因此缺乏检测监视手段。
（5）DPU负荷较高时，会导致信息误变。
2.4 通讯网络升级改造对策及其效果
2.4.1 升级改造对策
鉴于DCS网络系统存在的问题，珠江电厂决定对DCS网络进行升级改造：（1）主干网络A、B网从总线以太网升级为光纤虚拟环网，选用德国HIR-SCHMANN（赫斯曼）公司的工业以太网交换机，它的自愈、容错等性能更能满足DCS的需要；（2）DPU低层通讯网从Bitbus升级为以太网；（3）C网是非实时控制网，从总线结构升级为星型结构，采用低廉的D-LINK24口交换机连接。珠江电厂DCS网络升级后结构如图3所示。
2.4.2 升级后的效果
珠江电厂2号、4号机组DCS网络升级后，网络的实时性、安全性、可靠性、可维护性均有提高，完满足电厂控制要求。
（1）网络负荷率 网络升级后，网络负荷率大幅降低（表2），通讯效率得以提高。
（2）DPU负荷率 网络升级后DPU负荷率比原来下降50%～80%（表3），可避免网络异常时DPU复位的现象。
（3）网络速率及通讯媒体 主干网络速率由10 Mbit/s升级到100Mbit/s，I/O通讯速率从Bitbus 375kbitls升级到BCnet 10 Mbit/s，提高了网络数据实时性；主干网通讯媒体原采用同轴电缆，现更换为光纤，通讯抗电磁干扰能力增强，减少了I/O驱动出错的几率。
（4）网络安全性、可靠性 升级前，总线型网络中任一传输介质或传输设备的故障，都将导致原来一体的网络被分割为各自独立的两段，从而引发网络节点之间通讯中断；升级后，环形网络的核心部件——RS2-FX/FX光纤交换机在整个环形物理网络中作为逻辑断点存在，即环形以太网虽然在物理上是个环状结构，但在逻辑上还是个总线结构。当某一段光纤或某一个交换机发生故障时，环形网在物理上退化为总线型网络，但逻辑总线特征并未发生变化，网络中的各个节点一如通常的总线型或星型网络正常工作。升级后，整个网络的容错能力大大加强，可靠性提高。实时网为冗余的虚拟环网，并具备“自愈”功能，系统在发生3个断点（zui大允许）后仍可进行工作。I/O总线全部采用冗余的BCnet通讯，相对于原来的Bitbus总线，通讯速率大大提高，故障容错性能提高。
（5）系统维护 HIRCHMANN交换机具有自检故障输出触点和网络检测软件，有利于系统维护。
三、结 论
（1）环形以太网技术在珠江电厂DCS中的应用是成功的，该技术既保留了以太网廉价，兼容性好的特点，又加强了其实时性、可靠性、安全性，完满足电厂生产需要；虽然以太网有不确定性和重载下低性能的缺点，但可通过提高速率和降低负荷等手段来提高网络通讯性能，因此工业以太网在工业控制上的应用是可行的。
（2）以太网技术发展迅速，由于标准开放，DCS制造商能够根据需要方便地升级整个通讯系统性能，因此可降低生产成本。
（3）一个成熟的DCS，通讯网络类型选择只是一个重要方面，还有很多其它关键技术可以提高整个DCS的通讯效率和通讯实时性，如信息压缩技术、事件报告技术等。因此DCS制造商根据工业控制特点和要求，在选择好网络类型后，既要合理地开发、利用通讯技术以提高通讯效率，也要充分考虑到通讯故障时的各种保护，以确保工业控制的安全可靠性。
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