孫博偉

文章首先對分布式控制系統(tǒng)的特點進(jìn)行簡要分析，在此基礎(chǔ)上對分布式控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行論述。期望通過本文的研究能夠?qū)Ψ植际娇刂葡到y(tǒng)運行穩(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)特點分析

分布式控制系統(tǒng)簡稱DCS，通常采用分級遞階結(jié)構(gòu)，每一級由若干子系統(tǒng)組成，每一個子系統(tǒng)實現(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)險分散能力更強，使DCS擁有良好的應(yīng)用靈活性和運行穩(wěn)定性，進(jìn)而提高對現(xiàn)場設(shè)備的管控能力。

對于DCS的集中管理功能而言，不僅能夠統(tǒng)一管理現(xiàn)場各類信息，實現(xiàn)信息共享和資源優(yōu)化配置，而且還能夠利用現(xiàn)場總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將分散的設(shè)備、人員集中起來進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度；對于DCS的分散控制功能而言，可對現(xiàn)場設(shè)備、人員進(jìn)行分別控制，實施針對性的控制方案，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

對于DCS而言，網(wǎng)絡(luò)通訊是實現(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主站與從站之間的網(wǎng)絡(luò)通信的實時同步性。現(xiàn)場總線和工業(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)場總線的耗時較長加之成本較高，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，通過對應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的開發(fā)，設(shè)計一款能夠進(jìn)行實時傳輸?shù)姆植际骄W(wǎng)絡(luò)，實現(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)上電啟動后，上位機(jī)會先對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行檢查，若此時的網(wǎng)絡(luò)處于繁忙狀態(tài)，則會提示用戶當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)無控制權(quán)，需要等待，如果網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài)，上位機(jī)則會發(fā)送HCSOC（同步開始幀），同時將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)設(shè)定為同步，隨后，上位機(jī)將會一直保持在監(jiān)聽的狀態(tài)。

（2）當(dāng)下位機(jī)的主站接受到上位機(jī)發(fā)送來的HCSOC之后，會預(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)正確無誤后，便開始發(fā)送SOC，當(dāng)各個下位機(jī)接收到SOC后，將會與主站同步運轉(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

對于DCS系統(tǒng)中的下位機(jī)而言，在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊的過程中，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)置以及各個站點號的設(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，會先進(jìn)行初始化，在此過程中其會始終保持對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的監(jiān)聽，若是接收到網(wǎng)絡(luò)異步數(shù)據(jù)包，則下位機(jī)主站會完成異步參數(shù)的設(shè)置，而站點則會將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲到寄存器當(dāng)中，并進(jìn)行校驗，同時將結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)，并繼續(xù)繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)聽。

（2）當(dāng)監(jiān)聽到主機(jī)同步幀以后，便會進(jìn)入同步運轉(zhuǎn)，下位機(jī)主站會對與同步運轉(zhuǎn)有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行檢查，確認(rèn)正確無誤，即可開始同步加工，此時將會發(fā)送一個包含同步加工參數(shù)信息的SOC，各個從站開始同步。

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

2.2.2 下位機(jī)從站的網(wǎng)路通訊

（1）下位機(jī)從站會對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行實時監(jiān)測，如果收到異步數(shù)據(jù)下載，便會進(jìn)入到相應(yīng)的下載階段，若此時的從站正處于同步階段，則在接收到上位機(jī)發(fā)出的同步強制結(jié)束幀，同步加工會隨之停止，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，其會將所有網(wǎng)絡(luò)發(fā)送全部停止，開始進(jìn)行同步加工準(zhǔn)備，此時仍然會對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行監(jiān)測。

（3）若是各個下位機(jī)從站接收到主站發(fā)送的同步開始幀后，所有下位機(jī)便會開始同步運轉(zhuǎn)。

3 應(yīng)用實例

某電廠原本采用的是基于現(xiàn)場總線的DCS系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了如下問題：一是現(xiàn)場總線存在系統(tǒng)噪音問題，這是因為現(xiàn)場設(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)場運行環(huán)境的影響，容易引起網(wǎng)絡(luò)噪音現(xiàn)象，從而導(dǎo)致錯誤報警；二是冗余問題，現(xiàn)場總線的設(shè)計思想決定了低速運行部分不需要設(shè)置冗余，雖然這在一定程度上使危險得以分散，但若是總線發(fā)生故障，便可能造成機(jī)組停機(jī)。經(jīng)過研究后，該電廠決定對基于現(xiàn)場總線的DCS系統(tǒng)進(jìn)行改造，將現(xiàn)場總線改為工業(yè)以外網(wǎng)，運用基于工業(yè)以太網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，經(jīng)過改造后，上述問題得以解決。

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)的運行可靠性，可在系統(tǒng)設(shè)計時，合理運用以太網(wǎng)通訊技術(shù)，通過以太網(wǎng)通訊實現(xiàn)系統(tǒng)中上位機(jī)與下位機(jī)的聯(lián)系。在未來一段時期，應(yīng)當(dāng)加大對以太網(wǎng)通訊技術(shù)的研究力度，除對現(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)，這對于系統(tǒng)運行安全性、穩(wěn)定性和可靠性的提升具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]羅家融，季振山，熊斌.網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)在分布式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計算機(jī)信息，2000（05）：12-14.

[2]郭少雄.區(qū)間分布式軌旁信號控制系統(tǒng)的安全通信網(wǎng)絡(luò)研究[J].蘭州交通大學(xué)，2015.

[3]劉強.串口通信技術(shù)在分布式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2005，24（S2）：132-134.

作者單位

中國電力工程顧問集團(tuán)有限公司 北京市 100120