摘 要： 在分布式控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）中,，網(wǎng)絡通信是骨架，對DCS系統(tǒng)十分重要,。為了將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術應用于工業(yè)領域,，提出一種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議技術——DNet(Determinate Net Protocal)。DNet協(xié)議技術使得DCS網(wǎng)絡通信中的數(shù)據(jù)傳輸滿足工業(yè)控制的確定性,、實時性,、可靠性與安全性等要求,。
關鍵詞： DCS；通信協(xié)議,；工業(yè)以太網(wǎng)
DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡是DCS的基礎和核心,。DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡對于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設計,，其獨特的優(yōu)勢在商業(yè)領域獲得了廣泛應用，工業(yè)以太網(wǎng)的應用也越來越普及,。但是將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)應用于工業(yè)領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)絡上存在沖突，特別是在網(wǎng)絡負荷過大時,，沖突更加明顯,。對于一個工業(yè)網(wǎng)絡，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)絡應用中。當以太網(wǎng)應用到工業(yè)現(xiàn)場,，面對惡劣的工況或嚴重的線間干擾時,，會引起可靠性的降低。在DCS系統(tǒng)中,，需要通過設備與網(wǎng)絡的冗余來保證系統(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]的應用于DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡技術——DNet（Determinate Net Protocal）,。DNet是以以太網(wǎng)為基礎,，為滿足工業(yè)DCS系統(tǒng)特點而設計的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議技術。
1 DNet技術簡介
DNet協(xié)議是處于應用層與驅(qū)動層之間的協(xié)議技術,，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)送的權限,，擁有令牌的節(jié)點才有發(fā)送數(shù)據(jù)的權限。令牌是指網(wǎng)絡中很小的包含網(wǎng)絡節(jié)點信息的數(shù)據(jù)包,。在網(wǎng)絡中,，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)送權限,，保證了任何時候DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡只有一個節(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，設計實現(xiàn)了雙網(wǎng)冗余,，當數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時,，通過DNet協(xié)議技術可以快速無擾切換到冗余網(wǎng)絡。
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)絡協(xié)議技術，主要實現(xiàn)了網(wǎng)絡通信的下述功能：
（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)絡協(xié)議技術,，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)送權限,，保證了任何時候DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡只有一個節(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)絡中。
（3）DNet協(xié)議支持的網(wǎng)絡最大節(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)格式兼容標準以太網(wǎng)幀結構，可以在標準以太網(wǎng)網(wǎng)卡和交換器上傳輸,。
3 DNet設計方法
DNet協(xié)議技術的實現(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)點負責令牌環(huán)的管理以及令牌調(diào)度。主節(jié)點的選取根據(jù)下述流程進行：在節(jié)點啟動時,，默認該節(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,，如果在預先設置的時間內(nèi)沒有得到令牌，則確定當前的主節(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。
3.3 從節(jié)點的離線處理
當從節(jié)點離線時,，會導致主節(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)點認為令牌環(huán)斷開,，主節(jié)點需要將當前在線節(jié)點列表清空,，并重復發(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)絡中很小的包含網(wǎng)絡節(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,。
當所述令牌最后轉發(fā)到所述主節(jié)點時,，當前的令牌轉發(fā)周期結束，進入下一個令牌轉發(fā)周期,。
3.5 令牌丟失處理
如果所述令牌在轉發(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典型應用
以臺山火電現(xiàn)場與紅沿河核電現(xiàn)場的現(xiàn)場應用為例,，介紹DNet技術在DCS系統(tǒng)的應用效果,。
4.1 DNet技術在臺山百萬千瓦火電現(xiàn)場的應用
臺山項目單機組DCS系統(tǒng)結構簡單示意圖如圖6所示。
系統(tǒng)網(wǎng)使用DNet協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡通信,。通過DNet協(xié)議實現(xiàn)了數(shù)據(jù)服務器對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技術在紅沿河核電現(xiàn)場的應用
紅沿河項目單機組DCS系統(tǒng)結構簡單示意圖如圖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雜,，包括35對主控單元、10對通信站和5對網(wǎng)關,。主控單元支持20 000通信點項,、通信站與網(wǎng)關支持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)絡協(xié)議技術，采用了令牌控制數(shù)據(jù)包傳輸權限,，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)絡風暴的產(chǎn)生以及對系統(tǒng)的沖擊,，提高了網(wǎng)絡的安全性,。通過實現(xiàn)雙網(wǎng)冗余，進一步增強了系統(tǒng)的可靠性,。采用DNet協(xié)議技術的和利時DCS系統(tǒng)MACS成功應用于核電,、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)議技術很好地滿足DCS系統(tǒng)對網(wǎng)絡通信的要求，保證了DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性,、實時性,、可靠性和安全性。
參考文獻
[1] 王常力,，羅安. 分布式控制系統(tǒng)（DCS）設計與應用實例[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2004.
[2] 張文超，徐保國.工業(yè)計算機網(wǎng)絡[J]．工業(yè)控制計算機,，1991,，4(4)：23-26.
[3] 楊昌餛.正在進入控制領域的工業(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 controlsystem[J]．IEEE Control System Magazine,2001，2l（1）：57-65.