以太網在分布式控制系統的應用

孫博偉

文章首先對分布式控制系統的特點進行簡要分析，在此基礎上對分布式控制系統中網絡通訊技術的應用進行論述。期望通過本文的研究能夠對分布式控制系統運行穩定性的提升有所幫助。

【關鍵詞】分布式控制系統 網絡通訊技術 應用

1 分布式控制系統特點分析

分布式控制系統簡稱DCS，通常采用分級遞階結構，每一級由若干子系統組成，每一個子系統實現若干特定的有限目標，形成多層金字塔結構。在這種多層結構下，DCS的功能更加完善，風險分散能力更強，使DCS擁有良好的應用靈活性和運行穩定性，進而提高對現場設備的管控能力。

對于DCS的集中管理功能而言，不僅能夠統一管理現場各類信息，實現信息共享和資源優化配置，而且還能夠利用現場總線技術和網絡通訊技術，將分散的設備、人員集中起來進行統一調度；對于DCS的分散控制功能而言，可對現場設備、人員進行分別控制，實施針對性的控制方案，進而提高生產效率，提升系統控制的信息化水平。

2 分布式網絡通信模型研究

對于DCS而言，網絡通訊是實現上位機與下位機之間互聯互通的關鍵環節，為此，系統的網絡要求除了能夠實現上層的通信機制外，還應當可以滿足同步控制時主站與從站之間的網絡通信的實時同步性。現場總線和工業以太網是DCS系統網絡連接最為常用的兩種方案，鑒于搭建現場總線的耗時較長加之成本較高，所以最佳的網絡連接方案為工業以太網，下面本文基于標準以太網的硬件連接，通過對應用層網絡通信協議的開發，設計一款能夠進行實時傳輸的分布式網絡，實現上位機與下位機之間的有效通信。

2.1 主機的網絡通訊

（1）當DCS系統上電啟動后，上位機會先對網絡狀態進行檢查，若此時的網絡處于繁忙狀態，則會提示用戶當前網絡無控制權，需要等待，如果網絡處于空閑狀態，上位機則會發送HCSOC（同步開始幀），同時將網絡狀態設定為同步，隨后，上位機將會一直保持在監聽的狀態。

（2）當下位機的主站接受到上位機發送來的HCSOC之后，會預先完成網絡同步的相關準備工作，確認同步參數正確無誤后，便開始發送SOC，當各個下位機接收到SOC后，將會與主站同步運轉。如圖1所示。

（3）當同步階段結束之后，上位機則會再次獲取網絡的控制權限。

2.2 下位機的網絡通訊

對于DCS系統中的下位機而言，在實現網絡通訊的過程中，需要先完成網卡芯片的初始化，具體包括網絡通訊參數的設置以及各個站點號的設定等環節。

2.2.1 下位機主站的網絡通訊

（1）當下位機主站上電之后，會先進行初始化，在此過程中其會始終保持對網絡數據包的監聽，若是接收到網絡異步數據包，則下位機主站會完成異步參數的設置，而站點則會將相關數據存儲到寄存器當中，并進行校驗，同時將結果發送給上位機，并繼續繼續進行監聽。

（2）當監聽到主機同步幀以后，便會進入同步運轉，下位機主站會對與同步運轉有關的參數進行檢查，確認正確無誤，即可開始同步加工，此時將會發送一個包含同步加工參數信息的SOC，各個從站開始同步。

（3）在一段時間之內，若是下位機主站未收到從站反饋回來的信息，將會發出網絡同步超時錯誤的提示，當收到最后一個同步回應幀時，便會進入到下一個同步周期或是結束同步，此時下位機主站會自行判斷同步是否結束，確認結束將會發送SCend。

2.2.2 下位機從站的網路通訊

（1）下位機從站會對網絡數據包進行實時監測，如果收到異步數據下載，便會進入到相應的下載階段，若此時的從站正處于同步階段，則在接收到上位機發出的同步強制結束幀，同步加工會隨之停止，隨后進入到異步數據接收階段。

（2）當下位機接收到由主機發送的HCSOC后，其會將所有網絡發送全部停止，開始進行同步加工準備，此時仍然會對網絡數據包進行監測。

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

3 應用實例

某電廠原本采用的是基于現場總線的DCS系統，在實際應用中發現了如下問題：一是現場總線存在系統噪音問題，這是因為現場設備需要與總線網絡進行連接，接口處采用的是TAP接頭，由于受現場運行環境的影響，容易引起網絡噪音現象，從而導致錯誤報警；二是冗余問題，現場總線的設計思想決定了低速運行部分不需要設置冗余，雖然這在一定程度上使危險得以分散，但若是總線發生故障，便可能造成機組停機。經過研究后，該電廠決定對基于現場總線的DCS系統進行改造，將現場總線改為工業以外網，運用基于工業以太網的分布式網絡通信協議，經過改造后，上述問題得以解決。

4 結論

綜上所述，在工業領域中分布式控制系統的應用十分廣泛，分布式控制系統運行穩定與否，直接關系到工業生產效率，為進一步提升分布式控制系統的運行可靠性，可在系統設計時，合理運用以太網通訊技術，通過以太網通訊實現系統中上位機與下位機的聯系。在未來一段時期，應當加大對以太網通訊技術的研究力度，除對現有的技術進行持續不斷地改進和完善之外，還應研發一些新的技術，從而使其能夠更好地為分布式控制系統服務，這對于系統運行安全性、穩定性和可靠性的提升具有重要意義。

參考文獻

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作者單位

中國電力工程顧問集團有限公司 北京市 100120