分散控制系統（DCS）是現代機組起停和運行的中樞系統，其區別于傳統控制系統的關鍵在于具有一個完善的通訊系統。近年來，以太網技術發展迅速，網絡傳輸速度從10Mbit/s發展到目前1000 Mbit/s，因此其在DCS主干通訊網的使用穩步上升。
一、以太網通訊的特點
（1）特點 以太網是遵循IEEE802.3標準的局域網，傳輸媒體可選擇同軸電纜、雙絞線、光纖。其主要通信特點是隨機接入、載波監聽、碰撞檢測和沖突競爭。在每個站發送幀期間，需先監聽網絡，如網絡繁忙則繼續監聽，如空閑則發送數據，一旦檢測到沖突，就立即停止發送，并向總線上發送一串阻塞信號，通知總線上各站沖突已發生，這樣通道的容量不致因傳送已損壞的幀而浪費。
（2）優缺點 工業控制采用以太網的有下列幾個方面的明顯優勢：安裝方便、低成本，具有良好的連接性，易于移植到高速網絡。但是，當多個站點監聽到空閑時而同時發送數據，將不可避免產生通訊沖突，而且通訊負荷越高，沖突越多，因此它具有傳輸不確定性和重載下低性能的缺點，也因此曾被認為不適合應用在實時性很強的工業控制中。
二、工業以太網在珠江電廠DCS中的應用
2.1 珠江電廠DCS網絡結構
2.1.1 DCS主干通訊網絡結構
珠江電廠DCS采用新華控制公司的XDPS-400系統，網絡類型為以太網，網絡結構為總線型，傳送速率為0Mbit/s，傳輸介質是50Ω無源同軸電纜，帶站能力zui大254個，通訊約定協議為廣播式，點與點結構（圖1）。
XDPS-400以一個高速的冗余實時數據網絡（A網、B網）和一個信息網（C網）為基礎，由多個節點構成。掛網的處理節點有數據處理站（DPU）和MMI站（工程師站、操作員站，歷史數據站、中間計算站、外部系統接口站）構成一個具有過程控制、順序控制和數據監視功能的分布式控制系統。實時數據網絡共分4段，每段間用同軸電纜集線器連接，并轉換為雙絞線連接到切換型集線器（SWITCH HUB）與總線連接。信息網用于連接MMI的各種站點，并用于操作系統支持的文件傳送及打印共享。
2.1.2 DPU分散處理單元低層通訊網絡結構
DPU低層通訊采用高速串行總線的位總線連接DPU與I/O單元，通信協議符合EIA RS485規范，通訊傳輸速率375 kbit/s，通訊介質是屏蔽雙絞線STP，采用命令/響應通訊方式主從式通訊結構。
2.2 XDPS-400系統網絡通訊特點
高速數據通訊網是整個系統的核心，節點間自由通訊，節點可配置在系統中的任何位置，非常靈活。實時數據與實時狀態對各節點是透明的，數據的傳送采用周期傳送和例外傳送的數據交換形式，以降低網絡的通訊負荷，保證了可靠性。網上的各種節點由In OEM單板或用通用的工業PC機構成，網卡也是通用的以太網卡，具有兼容的升級換代能力。由于信息高速公路采用標準的以太網和TCP/IP通訊協議，因而系統也易于容納其它產品。
XDPS-400系統網絡通訊技術特點：
（1）提供廣播所有網上設備的高速數據鏈路。所有節點共享整個XDPS分布式全局數據庫，無通訊瓶頸。
（2）XDPS實時數據高速公路信息的傳播不需要中間站的存儲或轉發，使得通訊網絡的維護極為方便。
（3）所有DPU站和MMI站均掛接于實時數據高速公路實現數據通訊，而所有MMI站又與信息以太網連接，使非實時管理信息與實時控制信息彼此分開，真正實現信息控制。
2.3 XDPS-400系統通訊網絡應用現狀分析
2.3.1 通訊結構的不足之處
珠江電廠的XDPS-400系統在應用中基本滿足電廠控制的實時性、可靠性、安全性要求，但受技術條件所限，該系統網絡結構存在以下不足之處。
（1）網絡負荷率較高 因珠江電廠控制節點（DPU）數量較多（共36個），雖然已將整個DCS網絡分成了4段，但各段通訊負荷仍然較高，達到15%～20%左右，已超過規范（小于20%）要求，致使碰撞率也偏高，B網達到11.4%，遠大于以太網碰撞率的一般要求（應不大于5%），效率較低。
（2）I/O總線通訊速率較低 I/O通訊總線通訊速率只有375kbit/s，速率偏低，抗干擾能力較低，偶然情況下會引起I/O通訊出錯。
（3）主干網絡故障點集中 作為網段之間互聯的交換機如果出現故障，將導致某個網絡（A網或B網）故障；用于將同軸電纜轉換為雙絞線的轉換器如果出現故障，也將引起某段網絡無法與其它網段通訊。
2.3.2 應用中存在的問題
（1）多次出現I/O點跳變，造成自動調節波動，3號機組DCS曾因“網絡風暴”而出現癱瘓，分析其原因都與系統網絡通訊有關，尤其是I/O通訊總線為Bitbus 方式影響較大。
（2）由于系統通訊速率問題，目前系統中不同DPU之間的SOE點分辨率無法滿足規程要求。系統網絡負荷率偏高，3號機組系統性能測試時發現zui高負荷率達到24.5%，碰撞率達到11.4%，遠大于規程要求，導致傳輸延遲。珠江電廠DCS網絡負荷率及碰撞率情況見表1。
（3）隨著計算機技術的發展，MMI站所用PCI總線的網卡（帶BNC接口）已停產，備品困難，影響DCS的正常維護。
（4）作為網段轉換用的集線器和網段之間互聯的交換機如果出現故障，CRT自檢畫面無報警信息，因此缺乏檢測監視手段。
（5）DPU負荷較高時，會導致信息誤變。
2.4 通訊網絡升級改造對策及其效果
2.4.1 升級改造對策
鑒于DCS網絡系統存在的問題，珠江電廠決定對DCS網絡進行升級改造：（1）主干網絡A、B網從總線以太網升級為光纖虛擬環網，選用德國HIR-SCHMANN（赫斯曼）公司的工業以太網交換機，它的自愈、容錯等性能更能滿足DCS的需要；（2）DPU低層通訊網從Bitbus升級為以太網；（3）C網是非實時控制網，從總線結構升級為星型結構，采用低廉的D-LINK24口交換機連接。珠江電廠DCS網絡升級后結構如圖3所示。
2.4.2 升級后的效果
珠江電廠2號、4號機組DCS網絡升級后，網絡的實時性、安全性、可靠性、可維護性均有提高，完滿足電廠控制要求。
（1）網絡負荷率 網絡升級后，網絡負荷率大幅降低（表2），通訊效率得以提高。
（2）DPU負荷率 網絡升級后DPU負荷率比原來下降50%～80%（表3），可避免網絡異常時DPU復位的現象。
（3）網絡速率及通訊媒體 主干網絡速率由10 Mbit/s升級到100Mbit/s，I/O通訊速率從Bitbus 375kbitls升級到BCnet 10 Mbit/s，提高了網絡數據實時性；主干網通訊媒體原采用同軸電纜，現更換為光纖，通訊抗電磁干擾能力增強，減少了I/O驅動出錯的幾率。
（4）網絡安全性、可靠性 升級前，總線型網絡中任一傳輸介質或傳輸設備的故障，都將導致原來一體的網絡被分割為各自獨立的兩段，從而引發網絡節點之間通訊中斷；升級后，環形網絡的核心部件——RS2-FX/FX光纖交換機在整個環形物理網絡中作為邏輯斷點存在，即環形以太網雖然在物理上是個環狀結構，但在邏輯上還是個總線結構。當某一段光纖或某一個交換機發生故障時，環形網在物理上退化為總線型網絡，但邏輯總線特征并未發生變化，網絡中的各個節點一如通常的總線型或星型網絡正常工作。升級后，整個網絡的容錯能力大大加強，可靠性提高。實時網為冗余的虛擬環網，并具備“自愈”功能，系統在發生3個斷點（zui大允許）后仍可進行工作。I/O總線全部采用冗余的BCnet通訊，相對于原來的Bitbus總線，通訊速率大大提高，故障容錯性能提高。
（5）系統維護 HIRCHMANN交換機具有自檢故障輸出觸點和網絡檢測軟件，有利于系統維護。
三、結 論
（1）環形以太網技術在珠江電廠DCS中的應用是成功的，該技術既保留了以太網廉價，兼容性好的特點，又加強了其實時性、可靠性、安全性，完滿足電廠生產需要；雖然以太網有不確定性和重載下低性能的缺點，但可通過提高速率和降低負荷等手段來提高網絡通訊性能，因此工業以太網在工業控制上的應用是可行的。
（2）以太網技術發展迅速，由于標準開放，DCS制造商能夠根據需要方便地升級整個通訊系統性能，因此可降低生產成本。
（3）一個成熟的DCS，通訊網絡類型選擇只是一個重要方面，還有很多其它關鍵技術可以提高整個DCS的通訊效率和通訊實時性，如信息壓縮技術、事件報告技術等。因此DCS制造商根據工業控制特點和要求，在選擇好網絡類型后，既要合理地開發、利用通訊技術以提高通訊效率，也要充分考慮到通訊故障時的各種保護，以確保工業控制的安全可靠性。
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