大型DCS系統中工業以太網通信協議的設計與應用

方 壘，李今朝，陳奎兆

（杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州310018）

DCS的系統網絡是DCS的基礎和核心。DCS系統網絡對于DCS整個系統的實時性、可靠性起著決定性的作用。以太網以辦公自動化為目標設計，其獨特的優勢在商業領域獲得了廣泛應用，工業以太網的應用也越來越普及。但是將傳統的以太網應用于工業領域還存在明顯的缺陷。

（1）不滿足工業系統確定性、實時性要求[1-2]。

由于以太網的MAC層協議是CSMA/CD，該協議使得網絡上存在沖突，特別是在網絡負荷過大時，沖突更加明顯。對于一個工業網絡，如果存在著大量的沖突，就必須多次重發數據，使得網間通信的不確定性大大增加，信息不能按要求實時傳輸。在工業控制網絡中這種從一處到另一處數據傳輸的不確定性會帶來系統控制性能的降低，甚至引發設備與人身安全事故。

（2）不滿足工業系統可靠性要求。

在工業網絡應用中。當以太網應用到工業現場，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系統中，需要通過設備與網絡的冗余來保證系統的可靠性。

在此背景下，本文提出一種可以解決傳統以太網缺陷[3-4]的應用于DCS系統的網絡技術——DNet（Determinate Net Protocal）。DNet是以以太網為基礎，為滿足工業DCS系統特點而設計的工業以太網網絡協議技術。

1 DNet技術簡介

DNet協議是處于應用層與驅動層之間的協議技術，在系統中的位置與TCP/IP協議平行。DNet的核心模塊是令牌調度模塊，令牌調度模塊使用令牌環調度技術來實現。系統中所有節點首先注冊到令牌環中，通過令牌來控制數據發送的權限，擁有令牌的節點才有發送數據的權限。令牌是指網絡中很小的包含網絡節點信息的數據包。在網絡中，任何時候都只有一個節點擁有令牌。令牌環中的節點收到令牌后發送數據，數據發送完畢后再將令牌發送給令牌環中的下一個節點。令牌環節點數據發送流程如圖1所示。

通過令牌調度模塊，控制數據發送權限，保證了任何時候DCS系統網絡只有一個節點在發送數據，解決了以太網MAC層協議CSMA/CD引發的網絡沖突。保證了數據傳輸的確定性和實時性。為了滿足工業系統可靠性要求，設計實現了雙網冗余，當數據通信的網絡出現故障時，通過DNet協議技術可以快速無擾切換到冗余網絡。

DNet協議在系統中的位置與TCP/IP協議平行。DNet協議在系統中的位置如圖2所示。

2 DNet主要功能

通過DNet網絡協議技術，主要實現了網絡通信的下述功能：

（1）數據通信。支持基于以太網報文的節點間任意點對點通信與廣播通信方式；

（2）雙網冗余。支持雙以太網冗余通信，通信主網故障時，可以快速無擾切換至冗余網通信；

（3）站間引用。支持DCS系統I/O站站間數據引用；

（4）域間引用。支持DCS系統多域之間數據引用。

通過DNet網絡協議技術，使DCS系統滿足了下述性能：

（1）數據傳輸的確定性、實時性。通過令牌環模塊控制數據發送權限，保證了任何時候DCS系統網絡只有一個節點在發送數據，解決了以太網MAC層協議CSMA/CD引發的網絡沖突；保證了數據傳輸的確定性和實時性。

（2）安全性。DNet協議是專用協議，對于病毒等第三方軟件，該協議的入口是保密的，垃圾數據不會通過DNet協議發送到網絡中。

（3）DNet協議支持的網絡最大節點數為 255個，可以滿足大部分DCS系統的規模要求。

（4）兼容性。DNet協議能自動綁定網卡，收發數據。數據格式兼容標準以太網幀結構，可以在標準以太網網卡和交換器上傳輸。

3 DNet設計方法

DNet協議技術的實現主要是令牌環模塊的實現，如何調度組織令牌環是DNet協議技術的核心。令牌環的管理包括令牌環的生成、令牌環中主節點的選取、令牌環中節點離線的處理、令牌在令牌環中的傳遞管理以及令牌環遇到故障時的處理等。

3.1 令牌環的生成

令牌環包括一個主節點和多個從節點，從節點是網絡中的節點通過向主節點注冊后才加到該令牌環的，其中注冊過程在每次令牌傳遞一周后進行。令牌環的生成步驟如圖3所示。

3.2 令牌環主節點的選取

令牌環中的主節點負責令牌環的管理以及令牌調度。主節點的選取根據下述流程進行：在節點啟動時，默認該節點為主節點并為該節點配置一個令牌沉默超時計數器，如果在預先設置的時間內沒有得到令牌，則確定當前的主節點離線，觸發所述令牌沉默超時計數器，發送搶主信息，參與搶主。如果該節點成為主節點后，網絡中出現比該節點優先級更高的節點，則該節點從主節點降為從節點；如果在同一時刻多個從節點試圖變為主節點時，根據預定的優先級順序，優先級低的放棄。令牌環節點的主從狀態遷移如圖4所示。

圖4 令牌環節點主從狀態遷移圖

3.3 從節點的離線處理

當從節點離線時，會導致主節點發出的令牌不能回到主節點，如果連續3次發出的令牌都超時，且未能收回，主節點認為令牌環斷開，主節點需要將當前在線節點列表清空，并重復發起節點在線注冊過程，重新生成令牌環。

3.4 令牌在令牌環中的傳遞

令牌是指網絡中很小的包含網絡節點信息的數據包。令牌在令牌環中的傳遞步驟，如圖5所示。

當所述令牌最后轉發到所述主節點時，當前的令牌轉發周期結束，進入下一個令牌轉發周期。

3.5 令牌丟失處理

如果所述令牌在轉發過程中丟失，觸發所述主節點重新開始一個令牌傳遞循環，不會發起重新建立令牌環的過程。如果連續3次發生令牌丟失，則需要重新建立令牌環。

4 DNet典型應用

以臺山火電現場與紅沿河核電現場的現場應用為例，介紹DNet技術在DCS系統的應用效果。

4.1 DNet技術在臺山百萬千瓦火電現場的應用

臺山項目單機組DCS系統結構簡單示意圖如圖6所示。

系統網使用DNet協議實現網絡通信。通過DNet協議實現了數據服務器對54個主控單元的數據采集與控制，每個主控支持20 000通信點項的要求。數據采集周期為500 ms，即在500 ms內數據采集服務器可以完成對54個主控單元的數據采集。操作員站對主控的數據控制可以在250 ms內完成。如果系統網有任意一段網絡出現故障，可以通過DNet協議實現雙網無擾切換，保證數據通信的連續性與可靠性。

4.2 DNet技術在紅沿河核電現場的應用

紅沿河項目單機組DCS系統結構簡單示意圖如圖7所示。

紅沿河核電項目的系統網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對網關。主控單元支持20 000通信點項、通信站與網關支持30 000通信點項的要求。通過DNet協議保證數據采集服務器500 ms的數據采集周期。操作員站對主控的數據控制可以保證在250 ms內完成。系統網任意一段網絡出現故障時，通過雙網無擾切換保證了數據通信的連續性與可靠性。

綜上所述，經過在臺山火電現場與紅沿河核電現場的應用，實踐已經證明DNet工業以太網協議很好地滿足了DCS系統數據通信的確定性、實時性、可靠性與安全性要求。

DNet網絡協議技術，采用了令牌控制數據包傳輸權限，使數據包傳輸過程中具有確定的傳輸時延，保證了數據包的傳輸確定性和實時性。通過DNet專屬協議，過濾掉網絡中不屬于此協議的數據包，減少了非法數據包的侵入，有效避免了網絡風暴的產生以及對系統的沖擊，提高了網絡的安全性。通過實現雙網冗余，進一步增強了系統的可靠性。采用DNet協議技術的和利時DCS系統MACS成功應用于核電、火電、化工等行業近3 000個工業控制現場。實踐證明，DNet協議技術很好地滿足DCS系統對網絡通信的要求，保證了DCS系統網絡數據傳輸的確定性、實時性、可靠性和安全性。

[1]王常力，羅安.分布式控制系統（DCS）設計與應用實例[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2]張文超，徐保國.工業計算機網絡[J].工業控制計算機，1991，4(4)：23-26.

[3]楊昌餛.正在進入控制領域的工業以太網[J].世界儀表與自動化，2001，5(11)：52-56

[4]WALSH G C，Ye Hong.Scheduling of networked control system[J].IEEE Control System Magazine,2001，2l（1）：57-65.