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2006年全国发电厂DCS与SIS技术研讨会暨热工自动化专业会议论文集DCSDCS选型要点之网络与通信设备王立地（珠海发电厂）摘要：指令数据，电脑聚散；收发有序、共享交换；线环星树，网络拓宽；开放门户，吐纳百川；解惑答疑，设备盘点。关键词：DCS选型网络通信1网络须开放DCS不断发展的过程中，数据通信技术也在不断的更新和进步。DCS呱呱出世就应用了通信技术，其实就是网络技术，但当时的网络技术还不那么普及，也不如现在的先进，且尚未全面标准化，所以在DCS的技术说明中通常提的是“通信技术”，各个厂家推出的通信控制方式基本上是自己的专用技术，DCS以外的（第三方）设备如果打算用数据通信的方式接入，技术难度大、成本费用高。另外，用户对应用计算机网络技术的认识也是循序渐进的，在应用DCS系统之初对DCS安全性抱怀疑态度的人居多，使用过DCS以后才逐步体会到过程控制信息集中为监视、控制和运行经济、安全方面带来的好处，认识到网络技术是信息集中最安全、经济的方法，但是，实施起来就遇到了第三方设备接入的通信瓶颈，主要原因是早期或直至现在有些DCS的通信技术仍然带有原始的封闭性，未采用标准化通信协议，所以，第三方接入门槛太高，有的虽然数据勉强接入了DCS，传输速度无法令人满意，没有达到工业级实用水平。到目前为止，有些DCS厂家看到了用户对第三方设备接入的需求，采用开放性网络设计，开启了DCS网络的桎梏。所谓开放性设计，是随着网络技术标准的制定和普及，采用了OSI网络模型，或者更进一步采用OPC或CIP技术，彻底解决了DCS和第三方设备互联的难题，这就意味着，只要用户选择的第三方设备符合OPC或CIP的要求，就可以方便的接入这种开放性网络的DCS。对于打算利用网络方式把全厂过程信息集中于DCS的电厂，在DCS和相关控制设备选型时一定要注意鉴别网络通信技术是封闭的还是开放的，选错了技术和设备，对于全厂过程信息集中来说等于作茧自缚。反之，今后在信息集中过程中大路通途。所以，如果打算以DCS为主，把辅助车间应用的第三方设备，如PLC的过程信息或部分控制功能，利用经济的网络技术而不是传统的硬接线方式接入而形成全厂性的过程信息网络，选择DCS时就要特别关注DCS系统的网络开放性和技术先进性。现在绝大多数的DCS接入第三方设备有三个途径。这三个途径是操作员站层，主干网层，DPU过程I/O层。有一些DCS采用两层网络，DPU联接用主干网，操作员之间另外构建一个网络，第三方数据必须利用网关或网桥接入这两层网络，它们之间的区别在于，进入主干网的数据，DPU和操作员站可以共享，用途与DPU中的数据一样广泛。进入操作员站网络的数据就带有一定局限性。经过DPU过程I/O通信模件接入的第三方数据作为DPU中的变量，适合与DPU控制有关的第三方设备。从接入的数据量上比较，以主干网为最，操作员站网络次之，I/O通信模件再次之。从速度上分542006年全国发电厂DCS与SIS技术研讨会暨热工自动化专业会议论文集DCS析，数据进入主干网的传输速率最快（还取决于网关或网桥的性能）。具体如何接入，要根据用途、速率方面综合考虑。开放性的网络就没有那么多罗嗦。如何识别网络是否开放？可以从拓扑结构、通信协议和内嵌应用软件三方面来判定。拓扑结构是基础，虽然任何一种拓扑都能够按照开放性网络来设计，但是比较之下，MESH（网状网，数据路由至少可通过两条路经互相链接）、星形或环＋星结构比总线、令牌环在实现方式上容易一些。因为MESH和星形结构要用到交换机，在物理接口上为第三方接入提供了便利。通信协议是支柱，现代的通信网络基本上都要遵从OSI参考模型，这是一个开放的网络协议，提供了网络通信系统的一个完整的功能模型，指定了层与层之间通信的数据传送的标准结构，因此只要根据这个标准建立系统，就可以进行通信，而不必担心各厂家通信软件的影响。对于通信设备要重点关注网络交换机的配置，可以根据OSI模型的层次考察交换机的性能，交换机的工作区间与性能有二层、三层和四层的分别，是交换机通信控制能力和水平的标志，层次越高技术越先进、功能越强，能力方面的差别几乎是按几何级数变化的。现在的DCS有使用二层交换机的，如西门子的T-XP，有使用三层或四层交换机的，如西屋的OVATION，美国的FOXBORO和新华的XDPS－400PLUSE，这还不够，还要弄清楚交换机的通信控制软件为DCS的功能提供了哪些专业支持。内嵌式应用软件是通向网络开放的大门，如果交换机档次高，自然是好事，但要让交换机的能力在DCS的控制中充分发挥，还必须为DCS配套应用软件，而且一定要遵从OPC或CIP协议以及具备类似标准的通信软件。第三方设备只要符合OPC或CIP等相应协议，像AB和施耐德等公司的PLC，就可以直接通过双绞线接入交换机的接口而不需要网关、网桥之类的通信转换设备。当然，所有的DCS系统都可以通过DPU专用的I/O模件中的通信卡接入第三方PLC，只要符合相应的协议，像MODBUS或以太网协议，但这和网络是否开放无关，其通信能力也远不及前面提到的网络方式。关于网络开放标准，不能不提OPC（OLEforProcessControl－用于过程控制的对象链接和嵌入），OPC是一个工业标准，是一种利用微软的COM/DCOM（部件对象模型／分布式部件对象模型）技术来实现自动化控制的协定。设备与不同供应商的应用程序之间经通用接口进行数据交换。OPC简化了不同厂商的自动化部件与DCS网络应用程序之间的连接。OPC的通信标准化，使得任何OPC服务器和应用程序可以一起正常工作。管理这个标准的国际组织是OPC基金会，现有会员已超过220家，遍布全球，包括世界上所有主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统公司。设备选型时应该留意哪个厂家的DCS应用了这种出身IT豪门、简便易行、功能强大的标准，堪称金矿中的钻石。552006年全国发电厂DCS与SIS技术研讨会暨热工自动化专业会议论文集DCS2设备分层瞧1)通信传输与控制设备图1.总线网原理示意图图2.令牌环网原理示意图DCS应用网络技术，通信设备必不可少。早期的DCS通信控制方式有两种典型设计，一种是直接借鉴通用网络技术，配备专用通信服务器（专用计算机系统），对数据通信进行管理和控制。另外一种是采用了通信技术，但是针对工业控制的特点把通信控制功能做成了分布式的，没有专门的通信服务器，而是在网络节点上配备通信控制模件。西屋WDPFⅡ和贝利INFI－90、佛尼ECS-1200的网络通信都采用了分布式设计，ABB系统（C－14）应用服务器控制网络通信。近期的DCS产品这两种设计仍然存在，所以要特别留意，有的厂家把操作员站兼作通信服务器，如早期的FOXBORO的I/A（中国市场2004年7月份以前的产品，其后骨干网已经改为100M的星形网或MESH网，采用四层交换机，取消了通信服务器）和ABB的Symphony（INFI-90），有两级网络，除了DPU主干网以外，OPS站还专门有一层网，操作员站兼作网站服务器或采用服务器／客户机结构。西屋的OVATION、新华的XDPS-400PLUSE仍然采用分布式控制。从工业控制安全性的角度讲，分布式通信控制比专用通信服务器要优越，相同的通信功能，分布式通信控制设备造价低于专用通信服务器。分布式通信控制器也有简单和复杂之分，令牌网通信控制器比广播式以太网和总线网的控制器要复杂得多，这与网络访问方式有关，也使得令牌网的造价高于广播式以太网和总线网，在数据传送安全性和效率方面各有千秋，维系了各自存在的理由。近期在DCS网络发展上以太网之所以大行其道，与以太网的标准化和通信设备造价有极大关系。562006年全国发电厂DCS与SIS技术研讨会暨热工自动化专业会议论文集DCS图3.网状（MESH）网原理示意图图4.星＋环网原理示意图1980年代的DCS网络，通信技术尚在孕育发展中，DCS主流网络只有共享式的广播总线网和令牌环网。1990年代中后期，随着以太网通信技术在DCS系统中普遍运用，交换式网络传输和智能交换机开始异军突起，星形和网状网也随之成为主流拓扑，而且风头更劲。需要指出的是，计算机网络通信所用到的交换机，是采用专业网络通信软、硬件的计算机系统，与我们平常听到的电话交换机不完全是一回事。网络交换机有几个重要概念，线速度、层、VLAN和生成树（SpanningTreeAlgorithm）。交换机的核心是一套计算机系统和专门用于数据包转发的ASIC芯片，计算机周期扫描处理数据，微观过程是断续的，为了保证网络标称的传输速度，交换机必须门路宽广、动力澎湃，例如，网络通信速度为n，交换机的输入接口为m，那么交换机的总线带宽一定要高于n×m才能保证网络的标称速度。通俗一点讲，假定网络的通信速度为100M，接口10个，只有在交换机的总线带宽超过1G时，数据通过交换机的速率才不会低于网线上的速率，达到所谓的“线速度”。线速度还说明了其它一些重要性能，交换机达到一定带宽，就要有相应的CPU主频、内存容量以及操作软件，这些是选择DCS非常重要的考核指标。有些DCS的确应用了交换机，但是由于硬件和软件资源不足造成带宽不够，形成瓶颈，结果降低了网络的通信速率甚至会发生通信阻塞的现象，广东省内就有这样的应用实例，这种教训应当引以为戒。“层”的概念源于OSI模型，主要体现出交换机的工作环境、功能以及完成任务的能力，二层交换机工作在数据链路层，能够识别数据包中的MAC（MediaAccessControl,介质访问控制）地址，并将MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中，根据MAC地址进行数据转发。对二层交换机最基本的要求就是要保证交换机的带宽＞m（端口）×n（网络带宽）。三层交换机工作在网络层，工作模式与二层交换机相似，但能够识别数据包中更多的信息，如IP地址、ARP等，如果采用“存储－转发”技术还能过滤出错的包，虽然会产生一些转发延时，但总体通信效率和质量都得到提高。由于路由功能是在网络层实现的，因而能选择最优路径和相对简单直接的转发机制交换数据包，并可直接利用动态建立的MAC地址进行通信，特点是“一次路由多次转发”。三层和二层572006年全国发电厂DCS与SIS技术研讨会暨热工自动化专业会议论文集DCS交换机虽然在层面上只差一层，技术含量和通信能力却冰火两重天。三层交换机由专用集成电路（ASIC）实现数据的高速转发，在ASIC芯片的嵌入式指令支持下，数据包发送由软件处理变为硬件执行，从而加速了数据包的转发和过滤，速率可达几十个Gbit/s，突破了传统路由器的接口速率限制，具有多路广播和基于IP、IPX等协议的VLAN（虚拟网）路由功能，对于网络性能的提升令二层交换机望尘莫及。选择三层交换机时切记应首选具有路由功能的快速转发交换机。当然一分钱一分货，三层交换机的价格也比二层交换机贵许多。还有一种四层交换机的提法，其实是一种在三层基础上的功能，依据TCP／UDP（第四层协议）端口号、源／目标IP地址（第三层路由）和MAC地址（第二层网桥）进行端到端的传输，应用区间由源端和终端IP地址、TCP和UDP端口共同决定。第四层交换机在所有端口都能以全介质速度操作，这是对第四层交换机的起码要求。在软件方面，三层以上的交换机采用了VLAN技术和生成树算法，进一步提高了网络的通信速度和安全性。VLAN允许用户把网络中的某些节点组合在一起，成为一个逻辑上的局域网段，而不必考虑每个节点的实际物理连接位置。VLAN的一个重要功能就是可以有效的管理和避免由多点发送、数据流异常和网络设备故障所引发的广播风暴。一般来说，交换机不象路由器那样具有自动过滤网络广播的功能，任何广播或多点发送的数据包都可以通过交换机的所有端口进行发送。但是，如果采用VLAN功能，基于VLAN技术创建的逻辑网段可以有效的隔离网络广播风暴，优化网络性能。生成树算法是一种协议，允许网络管理人员为网络设计冗余链路。为避免出现网络回路，生成树算法能够在多台交换机之间进行协同工作，以确保使用同一条冗余链路传送数据。当现有线路出现问题时，备用