多機組控制系統網絡配置優化方案應用

摘要：由于DCS系統在全廠設備中的核心地位，國內諸多的電廠DCS系統采用進口設備，對進口DCS系統的軟件和硬件的設置和配置了解都不夠深入，很難在技術上有所突破，很多方面都受制于人，更不會輕易對網絡結構進行改造和設置，DCS系統網絡配置優化改造項目的實施，是對西門子網絡設計的一次突破和改良，更是是對最初設計的一次全面優化，在技術上也是一次巨大的創新。

關鍵詞：TXP;OSM/ESM;網絡屏蔽

1系統概述

某電廠一期工程4×600WM機組DCS系統采用西門子TXP系統，4臺機組從2005年底相繼投入商業運行.其中伴隨2號機組的公用系統最早投入使用。DCS系統在單元機組上層分別配置了3對PU過程服務器，1對SU歷史數據存儲服務器和5臺OT操作員站，同時配置一臺ES680工程師站，公用系統配置輛1對PSU服務器。TXP系統采用雙層虛擬環網技術，快速以太網結構，網絡節點采用多個OpticalSwitchMoudle（OSM）ITP62連接，其中工廠總線網絡負責現場數據數據的采集和運算處理的通訊工作，終端網絡負責反饋設備運行狀態和接收手動操作指令的基本工作等。

在DCS系統的配置方面，4臺單元機組和公用系統分別采用1套DCS系統，同時為能實現4臺機組對公用系統設備操作監控的基本功能，設計了單元機組通過DCS系統終端網絡分別和公用系統終端網絡互聯互通，達到報警信息能同時觸發，并且能同時操作公用系統設備的目的。而工廠總線網絡則只與2號機組總線網絡連接，且設置單向傳輸方式，同時公用系統數據庫和2號機組公用1臺ES680工程師站。由于各個單元機組終端網絡結構通過OSM與公用系統終端網絡連接的特殊性，造成了4臺機組相互之間的互通互聯，在特定情況下極易造成單元機組網絡故障擴大影響到其他單元機組包括公用系統。為解決這一潛在隱患，必須對終端網絡進行改造，并且屏蔽隔離某些設備，限制終端網絡之間服務器的相互干擾。

2 TXP系統網絡（LAN）結構功能介紹

西門子TXP系統在AP與OM650系統各部份間的通訊（LAN），是以SINEC H1 總線為基礎的，通訊速度達到100Mbits/s。

在物理上，它可以由同軸銅線或者光纜來連接。兩者間對電報的處理是一樣的。SINEC H1 FO最大允許使用距離為4300米，除此以外，SINEC H1 FO還具有抗磁性、抗電性，能與電流隔絕。SINEC H1 FO增加了虛擬環的單容錯的可靠性。系統的所有OSM連接成一個環結構，并在某一點中斷開。在這斷開點處所有從兩邊到達的信號都會被全天候監視著。如果一邊的信號消失或斷開，即為故障產生，斷開點自動閉合，于是重新形成了一個有效路徑。當故障排除后，‘虛擬環將再次被激活，閉合點斷開。

在網絡總線中，終端總線是連接OM650的PU、SU及OT的高速數據總線為工業以太網，遵循ISO/OSI的層結構建立起來的國際標準通訊協議，其總線是通過光纜建立的局域以太網，采用IEEE802.3標準的CSMA/CD協議，傳輸速率為100M bit/s。

總線系統由若干個OSM（OpticalSwitchMoudle）模件組成。OSM模件為光纜總線接口總站，帶有自己的電源，通過OSM模件，T-XP系統的各成員以星型結構連接在一起。

OSM的每個端口都能監測診斷接收到的數據包，并將其計數累加。監視的內容包括：

1、CRC：循環冗余校驗; 2、Jabbers：無效的CRC; 3、Under size：數據位數不夠; 4、Over size：數據位數超標; 5、Collisions：信息沖突

OSM模件具有下述特點：兩套獨立的電源，LED診斷，通過信號開關報告故障，遠程管理。

工廠總線（PLANTBUS）承擔DCS系統各子系統間（AS620、OM650、ES680）的通訊任務，工廠總線的原理與終端總線完全一樣，僅其接口模件的數量及類型因其所掛用戶不同而有所不同。

TELEPERM XP中與裝置總線相連的各個系統之間進行通信所用的協議 如下表

3 網絡配置優化前公用系統和單元機組終端網絡連接狀態和存在的問題

全廠最初設計采用4臺機組采用獨特的四機一控結構，運行集控中心突破傳統的現場布置方式，將4臺機組集控中心統一放置在汽輪機平臺前面，為運行人員營造了更加安靜的工作空間。同時相應的DCS系統網絡也采用了四機一控的分布方式，即公用系統網絡通過冗余的網橋分別和4臺機組網絡互聯互通。其簡單拓撲結構圖如下（一）

這種連接方式，不僅實現了4臺機組可以同時操作和監控公用系統設備，而且因為每臺機組都采用冗余網橋結構，物理結構上極大的提高了系統網絡的可靠性。但與此同時，也存在了相當大的弊端，一方面4臺機組運行人員都可以同時操作公用系統，極易出現不同機組之間的搶操和誤操，為了保證這些人為因素的不出現，有運行人員制定相應制度來消除這方便的隱患。另外一方面，由于西門子網絡結構的本身特性，極易造成公用系統和單元機組網絡堵塞，且事故可能擴大影響到其他機組，在采用的冗余網橋設備上存在較大的安全隱患。

冗余網橋短接線在實現單元機組和公用系統之間的通訊連接上起到了直觀關重要的作用。在OSM作為節點的網絡設備上，與外網實現冗余方式連接必須要使用短接線，并且接在端口Port1上。然后在OSM上對撥碼開關進行相應的設置，從而到達冗余網橋通訊的主從之分。

某電廠從2009年開始關注TXP系統網絡問題，并收集各方面資料，從2010年初開始立項研究對西門子TXP系統終端網絡結構的改造和完善，同時，也是解決安全隱患的需要。2010年3月份，國華公司聯合系統內多家電廠在南京西門子電站公司召開關于網絡隱患治理的專題會議，與會的各個電廠DCS系統都是采用同樣或者是類似配置，同時，參加會議的有西門子系統的中國專家組，會議過程中就對系統網絡的改造展開激烈的辯論，經過兩天的會議，最終由于各個方面原因未能達成共識，但要求在隨后利用有限時間搭建TXP系統網絡仿真平臺，模擬試驗單元機組和公用系統之間網絡設置和結構改變所造成的影響。

2010年3月份在某電廠2號機組C203檢修過程中，搭建公用系統和單元機組網絡仿真平臺，同時，請到西門子專家共同研究，經過兩天的試驗，并結合同行的交流經驗，分析西門子TXP系統終端網絡結構特點，認為對于OSM節點的網絡節點，在取消主從設置已經RM設置后，可以將冗余的網絡改為單網形式，其次，在特定的設備網絡通訊端口，同時沒有設置STANDBY的OSM設備上可以通過填寫靜態列表實現對網絡上設備的屏蔽隔離。考慮到網絡結構的復雜性，試圖從有限的資料中找到有關設置，但說明書深度非常淺顯，這給我們真正的實施造成很大的壓力。在應用實踐方面，國華公司也出面到多家電廠考察參考，但都沒有相似或者是相同的設置經驗。綜合考慮各方面的因素，決定編寫詳細的方案后在機組檢修期間，進行在線優化試驗。

優化的主要內容包括：終端網絡設備結構改變的安全操作方式，端口屏蔽設置點的選擇，軟件設置操作方法，應該的注意事項，已經應用效果評估，系統風險等級，系統試驗與測試等

其中確定的關鍵技術主要有：

1）確定單元機組終端網絡與公用系統終端網絡采用單網橋方式連接的安全性和可靠性

2）單元機組終端網絡與公用系統終端網絡采用單網橋方式連接的安全可靠情況下，再對單元機組的OSM進行端口屏蔽，確定屏蔽的有效性.和單元機組的終端網的安全可靠性.

3）評估其推廣應用的可行性

3 網絡配置優化主要的技術創新方面

改造前后冗余網橋的網絡拓撲結構

3.1取消終端網絡的冗余結構配置

TXP系統終端網絡采用ESM/OSM做為網絡節點，使用光纖電纜連接，通過網橋耦合虛擬環，開放通訊，以太網訪問模式，并且總線采用 TCP/IP 協議，遵循ISO/OSI 規約結構，與公共網使用網橋聯接每臺機組，具有單容錯方式，高可用率。其冗余采用二選一方式，通過人工設置主從關系來實現，正常情況下，主側線路運行，從側線路備用，在端口監視到主側線路故障后，從側線路自動與其連接，從而實現網絡的安全穩定。此次項目實施過程，首先將單元機組和公用系統完全隔離，取消主從設置后，使用單根網絡實現單元機組和公用系統的連接。

3.2通過設置靜態列表屏蔽隔離4臺機組之間網絡互聯互通功能

靜態列表功能是通過軟件設置來實現，西門子網絡節點中都可以采用該設置，通過有目的性的設置靜態列表，達到的有針對性的網絡信息屏蔽隔離，從而能有效的阻止4臺機組之間的網絡互通。

4 網絡優化前后對比

（1）取消冗余連接方式后，同時也取消了冗余短接線，在很大程度了減少了由于短接線的故障造成網絡癱瘓的可能性，消除了DCS系統重大隱患，提高了系統的安全可靠性。

（2）取消單元機組和公用系統之間連接線的冗余連接后，讓機組之間的冗余配置更加合理，盤柜網絡接線連接更加簡潔，清晰，明了，便于單元機組的檢修。

（3）有目的的屏蔽對單元機組之間通過共用系統連接，改變網絡連接的隨意性，有效保證網絡負荷在正常的標準

（4）優化應用后，外系統與DCS系統單元機組和共用系統通訊連接出現的問題明顯減少，四機一控的網絡更加安全可靠。

5?網絡配置優化過程中遇到的問題分析和對策

（1）在對冗余網橋的改造過程中，由于涉及到公用系統，同時機組多數在運行狀態，所有改造過程的操作要相當的小心，為保證改造操作的順利和安全進行，我們提前制定了詳細的DCS系統應急預案，成立實施操作指揮組、執行組、緊急搶修組，并會同運行人員做好相應的應急準備。為保證安全，一定要提前搞清楚網絡節點的每一跟連接線，防止誤動造成不可預計的后果。由于沒有準確的評估網絡通訊正常的標準，在對局部進行改造后，要嚴格按照事先的順序，一步一步操作，并要有專人負責對網絡負荷的檢查。

（2）OSM上設置端口屏蔽只能在單網橋方式進行，在冗余網橋結構中，是不能實現這一功能。同時，在OSM上能夠檢測到通過信息的數量和丟失數據的信息，以初步判斷網絡狀態

（3）在虛擬環網中，不要對RM設置的 OSM進行端口屏蔽操作，如果單元機組和公用系統通訊連接的OSM正好被設置為RM時，不能進行端口屏蔽操作，需要到其他OSM上進行。

（4）需要注意的是在冗余網橋配置下的網絡上，是不能對OSM進行屏蔽優化工作的。

6 結束語：

本項目結合應用人員長時間的經驗總結積累，經多方面專家和同行的交流，討論，最終確定實施方案，成功應用實施，至今全廠DCS系統設備運行平穩可靠，單元機組和公用系統通訊連接出現的問題明顯減少，四機一控的網絡更加安全可靠。

參考文獻

[1] TELEPERM XP OSM總線手冊???南京西門子公司提供

[2] TXP系統維護手冊???????南京西門子公司提供（隨機資料）

[3] DL/T 659-2006《火力發電廠分散控制系統驗收測試規程》

[4] DL/T 774-2004《火力發電廠熱工自動化系統檢修運行維護規程》

[5] 《以太網標準IEEE802.3》

作者簡介：張丁月，性別：男，出生年月：1982年09月，籍貫：河南省南陽市，學歷：本科。

（作者單位：神華國華孟津發電有限公司）