以太网在分布式控制系统的应用

文章首先对分布式控制系统的特点进行简要分析，在此基础上对分布式控制系统中网络通讯技术的应用进行论述。期望通过本文的研究能够对分布式控制系统运行稳定性的提升有所帮助。

【关键词】分布式控制系统 网络通讯技术 应用

1 分布式控制系统特点分析

分布式控制系统简称DCS，通常采用分级递阶结构，每一级由若干子系统组成，每一个子系统实现若干特定的有限目标，形成多层金字塔结构。在这种多层结构下，DCS的功能更加完善，风险分散能力更强，使DCS拥有良好的应用灵活性和运行稳定性，进而提高对现场设备的管控能力。

对于DCS的集中管理功能而言，不仅能够统一管理现场各类信息，实现信息共享和资源优化配置，而且还能够利用现场总线技术和网络通讯技术，将分散的设备、人员集中起来进行统一调度；对于DCS的分散控制功能而言，可对现场设备、人员进行分别控制，实施针对性的控制方案，进而提高生产效率，提升系统控制的信息化水平。

2 分布式网络通信模型研究

对于DCS而言，网络通讯是实现上位机与下位机之间互联互通的关键环节，为此，系统的网络要求除了能够实现上层的通信机制外，还应当可以满足同步控制时主站与从站之间的网络通信的实时同步性。现场总线和工业以太网是DCS系统网络连接最为常用的两种方案，鉴于搭建现场总线的耗时较长加之成本较高，所以最佳的网络连接方案为工业以太网，下面本文基于标准以太网的硬件连接，通过对应用层网络通信协议的开发，设计一款能够进行实时传输的分布式网络，实现上位机与下位机之间的有效通信。

2.1 主机的网络通讯

（1）当DCS系统上电启动后，上位机会先对网络状态进行检查，若此时的网络处于繁忙状态，则会提示用户当前网络无控制权，需要等待，如果网络处于空闲状态，上位机则会发送HCSOC（同步开始帧），同时将网络状态设定为同步，随后，上位机将会一直保持在监听的状态。

（2）当下位机的主站接受到上位机发送来的HCSOC之后，会预先完成网络同步的相关准备工作，确认同步参数正确无误后，便开始发送SOC，当各个下位机接收到SOC后，将会与主站同步运转。如图1所示。

（3）当同步阶段结束之后，上位机则会再次获取网络的控制权限。

2.2 下位机的网络通讯

对于DCS系统中的下位机而言，在实现网络通讯的过程中，需要先完成网卡芯片的初始化，具体包括网络通讯参数的设置以及各个站点号的设定等环节。

2.2.1 下位机主站的网络通讯

（1）当下位机主站上电之后，会先进行初始化，在此过程中其会始终保持对网络数据包的监听，若是接收到网络异步数据包，则下位机主站会完成异步参数的设置，而站点则会将相关数据存储到寄存器当中，并进行校验，同时将结果发送给上位机，并继续继续进行监听。

（2）当监听到主机同步帧以后，便会进入同步运转，下位机主站会对与同步运转有关的参数进行检查，确认正确无误，即可开始同步加工，此时将会发送一个包含同步加工参数信息的SOC，各个从站_始同步。

（3）在一段时间之内，若是下位机主站未收到从站反馈回来的信息，将会发出网络同步超时错误的提示，当收到最后一个同步回应帧时，便会进入到下一个同步周期或是结束同步，此时下位机主站会自行判断同步是否结束，确认结束将会发送SCend。

2.2.2 下位机从站的网路通讯

（1）下位机从站会对网络数据包进行实时监测，如果收到异步数据下载，便会进入到相应的下载阶段，若此时的从站正处于同步阶段，则在接收到上位机发出的同步强制结束帧，同步加工会随之停止，随后进入到异步数据接收阶段。

（2）当下位机接收到由主机发送的HCSOC后，其会将所有网络发送全部停止，开始进行同步加工准备，此时仍然会对网络数据包进行监测。

（3）若是各个下位机从站接收到主站发送的同步开始帧后，所有下位机便会开始同步运转。

3 应用实例

某电厂原本采用的是基于现场总线的DCS系统，在实际应用中发现了如下问题：一是现场总线存在系统噪音问题，这是因为现场设备需要与总线网络进行连接，接口处采用的是TAP接头，由于受现场运行环境的影响，容易引起网络噪音现象，从而导致错误报警；二是冗余问题，现场总线的设计思想决定了低速运行部分不需要设置冗余，虽然这在一定程度上使危险得以分散，但若是总线发生故障，便可能造成机组停机。经过研究后，该电厂决定对基于现场总线的DCS系统进行改造，将现场总线改为工业以外网，运用基于工业以太网的分布式网络通信协议，经过改造后，上述问题得以解决。

4 结论

综上所述，在工业领域中分布式控制系统的应用十分广泛，分布式控制系统运行稳定与否，直接关系到工业生产效率，为进一步提升分布式控制系统的运行可靠性，可在系统设计时，合理运用以太网通讯技术，通过以太网通讯实现系统中上位机与下位机的联系。在未来一段时期，应当加大对以太网通讯技术的研究力度，除对现有的技术进行持续不断地改进和完善之外，还应研发一些新的技术，从而使其能够更好地为分布式控制系统服务，这对于系统运行安全性、稳定性和可靠性的提升具有重要意义。

参考文献

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作者单位

中国电力工程顾问集团有限公司 北京市 100120