專利名稱：一種用于大型分布式控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種用于大型分布式控制系統(tǒng)(DCS)的控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，主要涉及大型發(fā)電廠、石 油、化工、冶金、軌道交通等行業(yè)的自動化；該技術(shù)用于自動化系統(tǒng)的內(nèi)部實時控制網(wǎng)絡(luò)的 數(shù)據(jù)及信息同步。背景資料隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，分布式控制系統(tǒng)(DCS)成為實現(xiàn)工業(yè)自動化的基本控制 系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)行業(yè)。隨著IT技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，新一代 的DCS技術(shù)正在快速改變現(xiàn)代工廠的生產(chǎn)運(yùn)行和管理模式，DCS系統(tǒng)的規(guī)模也在迅速發(fā)展。 如何實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)同步數(shù)據(jù)的快速、可靠傳輸，實現(xiàn)信息交互和共享成為DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵技 術(shù)之一。該項申報技術(shù)就是專門針對大型分布式控制系統(tǒng)的實時控制網(wǎng)絡(luò)，在固有帶寬下 實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)上各控制單元信息高效同步。分布式自動化系統(tǒng)在電力和化工行業(yè)的應(yīng)用具有系統(tǒng)復(fù)雜，規(guī)模龐大、數(shù)據(jù)量大、 控制實時性要求高等特點。除了采集由AI、DI、A0、D0等I/O模塊采集傳感器、執(zhí)行器等數(shù) 據(jù)外，規(guī)模不斷擴(kuò)大的DCS系統(tǒng)逐漸將ECS的電動機(jī)、廠用變、備自投、線路保護(hù)等保護(hù)測控 信息采集進(jìn)來。大型或超大型DCS系統(tǒng)點數(shù)多達(dá)幾萬點，除實時數(shù)據(jù)外一些管理信息也需 要上傳主控層。而控制層一方面對數(shù)據(jù)實時性方面要求較高，一般的邏輯控制IOOms級，更 有一些實時性高的向IOms級發(fā)展，所以要求數(shù)據(jù)同步周期要短，不能高于邏輯控制周期。 另一方面要求網(wǎng)絡(luò)占用率要小于20%。目前的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)多為基于以太網(wǎng)設(shè)計，以太網(wǎng)采用CSMA/⑶技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷 較大時，網(wǎng)絡(luò)傳輸就會不穩(wěn)定。傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)采用將各控制器節(jié)點的全數(shù)據(jù)定時刷新的 方式同步信息，各節(jié)點數(shù)據(jù)自行上送。這種將實時性要求不同的信息一次同步的方式，如果 同步周期短，則網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷高，如果同步周期長，則控制系統(tǒng)的實時性就不能得到保障。另外 數(shù)據(jù)自行上送導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量不確定性，可能時而擁堵時而空閑。圖2示意了這種機(jī)制下數(shù) 據(jù)同步周期為500ms的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時序圖?？刂凭W(wǎng)絡(luò)上掛五個控制器，每個控制器全數(shù)據(jù)為 4kbyte左右，此時網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷已經(jīng)達(dá)到32%。因此傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)具有效率低，數(shù)據(jù)信息同 步不穩(wěn)定、不可靠的弊端。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種大型分布式控制系統(tǒng)(DCS)的控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，實現(xiàn)在固有帶寬下 實現(xiàn)信息高效、快速、可靠同步的方法和技術(shù)。大型分布式控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)將分散分布的各控制器連接起來，在控制網(wǎng)絡(luò)上 傳輸各控制器的同步信息，實現(xiàn)信息共享。每個控制器節(jié)點通過挑點將其它控制器邏輯控 制所需的上網(wǎng)點數(shù)據(jù)整理出來，與其它數(shù)據(jù)分離，單獨快速調(diào)度同步，這部分?jǐn)?shù)據(jù)量小，最 多只有幾百個字節(jié)，同步周期為IOms級，可以根據(jù)需求設(shè)定。再將全數(shù)據(jù)分為實時數(shù)據(jù)和 管理數(shù)據(jù)分別分為秒級和十秒級頻率同步。這兩類數(shù)據(jù)量較大多達(dá)數(shù)千字節(jié)，為了避免網(wǎng) 絡(luò)沖撞，均衡使用帶寬，通過協(xié)調(diào)控制器分時調(diào)度來協(xié)調(diào)。另外配合變位信息優(yōu)先上送功能，將實時變化的信息作為其它網(wǎng)絡(luò)報文的附加幀及時上送給各控制器和主控層。網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點可以動態(tài)自動增加和減少，協(xié)調(diào)控制器實時檢測網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點的狀態(tài)。調(diào)度DPU檢測到新 的控制器節(jié)點后將其加入調(diào)度鏈表，控制器節(jié)點離線后，該控制器從調(diào)度鏈表上刪除。協(xié) 調(diào)控制器根據(jù)實時根據(jù)調(diào)度鏈表上節(jié)點個數(shù)動態(tài)調(diào)整掃描周期。調(diào)度幀通過IOms級的實 時邏輯控制數(shù)據(jù)同步報文中的描述符控制實現(xiàn)，即一幀控制數(shù)據(jù)同步報文既同步了控制數(shù) 據(jù)，又實現(xiàn)了數(shù)據(jù)調(diào)度，并充當(dāng)了網(wǎng)絡(luò)心跳功能。協(xié)調(diào)控制器是掛在控制網(wǎng)絡(luò)上的一個控制 器節(jié)點中的一員，由控制網(wǎng)絡(luò)上的控制器通過主動發(fā)送自舉幀，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)仲裁后動態(tài)自行 選出。這種設(shè)計方案有效提高了總線利用效率、降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提升了 DCS系統(tǒng)的控 制性能。相比于常規(guī)的以各控制器定時刷新全數(shù)據(jù)通信方案而言具有巨大的優(yōu)越性。


圖1示意了分布式控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；圖2示意了目前無調(diào)度及數(shù)據(jù)分離機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時序圖；圖3示意了控制網(wǎng)絡(luò)調(diào)度機(jī)制及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時序圖；圖4示意了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點動態(tài)增加刪除時的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度機(jī)制。
具體實施方案由多個控制器組成的控制網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。各種控制器信息通過實時控制網(wǎng)絡(luò)實 現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。步驟和方法如下1.根據(jù)實際邏輯組態(tài)需求，每個DPU將需要引用跨DPU信息的控制器列為自己的 信任平行節(jié)點，將其它控制器所需的信息列為上網(wǎng)點。2.系統(tǒng)上電后在約定時間內(nèi)主動發(fā)送自舉幀，根據(jù)節(jié)點號仲裁出協(xié)調(diào)控制器。協(xié) 調(diào)控制器將控制網(wǎng)絡(luò)上的控制器列為信任節(jié)點。3.協(xié)調(diào)控制器實時檢測控制網(wǎng)絡(luò)上各控制器節(jié)點狀態(tài)。根據(jù)實際控制實時性要求 以及在線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù)，確定邏輯控制數(shù)據(jù)調(diào)度周期，調(diào)度各節(jié)點的邏輯控制數(shù)據(jù)以IOms 級的頻率在控制網(wǎng)絡(luò)上快速同步。4.協(xié)調(diào)控制器以200ms —個控制器的頻率分時調(diào)度各活動控制器節(jié)點的實時數(shù) 據(jù)，以十倍于實時數(shù)據(jù)調(diào)度周期調(diào)度包含管理數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的全數(shù)據(jù)。5.在以下情況下，協(xié)調(diào)控制器優(yōu)先調(diào)度該控制器的全數(shù)據(jù)，如發(fā)生新增加控制器 節(jié)點、節(jié)點由離線變?yōu)榛顒訝顟B(tài)、控制器節(jié)點有重要信息變化等。6.各控制器節(jié)點收到協(xié)調(diào)控制器的調(diào)度后立刻響應(yīng)相應(yīng)數(shù)據(jù)幀。7.各控制器節(jié)點同時實時監(jiān)測協(xié)調(diào)控制器狀態(tài)，協(xié)調(diào)控制器失效后，剩余控制器 再次自舉仲裁產(chǎn)生新的協(xié)調(diào)控制器。圖3示意了一個小型的有五個控制器組成的控制網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時 序。1”、2”、3”、4”、5”分別為五個控制器的上網(wǎng)點同步數(shù)據(jù)，大小為300byte，同步周期為 50ms ；1，、2，、3，、4，、5，分別為五個控制器的實時數(shù)據(jù)，大小為2Kbyte左右，同步周期為Is ； 1，2，3，4，5分別為五個控制器的控制器全數(shù)據(jù)，大小約為4Kbyte左右，同步周期為10s。圖4示意了在運(yùn)行過程中某控制器發(fā)生離線后和由離線變?yōu)檫\(yùn)行態(tài)的調(diào)度情況。DPU4離線后 實時數(shù)據(jù)的同步周期縮短到了 800ms。DPU4再次投入運(yùn)行后，立刻同步一次該控制器全數(shù) 據(jù)，之后又按照新的節(jié)點列表周期調(diào)度，全數(shù)據(jù)同步周期相應(yīng)擴(kuò)大到Is。
對比圖2，從時序圖上可以看到通過這種網(wǎng)絡(luò)信息同步方式，邏輯控制數(shù)據(jù)刷新周 期可以達(dá)到IOms級，滿足了各方對數(shù)據(jù)的實時性要求，均衡了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，有效提高了總 線利用效率、降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提升了 DCS系統(tǒng)的控制性能。
權(quán)利要求
一種用于大型分布式控制系統(tǒng)(DCS)的控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。其特征在于1)根據(jù)對數(shù)據(jù)實時性的不同需求將數(shù)據(jù)分類，各類數(shù)據(jù)分不同同步周期同步；2)協(xié)調(diào)控制器分時、分頻率調(diào)度各網(wǎng)絡(luò)控制器節(jié)點的邏輯控制數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)，控制器節(jié)點可以靈活動態(tài)增加刪除節(jié)點，協(xié)調(diào)控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實際個數(shù)動態(tài)調(diào)整調(diào)度周期。3)各控制器發(fā)生變位信息通過附加幀優(yōu)先上送。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于大型分布式控制系統(tǒng)(DCS)的控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，這種設(shè)計方案包括將網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息按實時性要求分類；各類型數(shù)據(jù)分頻率傳輸；通過調(diào)度控制器以相對較長周期調(diào)度各控制器的實時數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)；各控制器挑出數(shù)據(jù)量較小的邏輯控制數(shù)據(jù)以小周期在控制網(wǎng)絡(luò)上調(diào)度同步，以滿足邏輯運(yùn)算及控制需求；變位信息優(yōu)先上送；支持各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的動增加和減少，動態(tài)維護(hù)調(diào)度鏈表，以縮小整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)掃描周期。這種方法在固有的網(wǎng)絡(luò)帶寬下實現(xiàn)了DCS系統(tǒng)大規(guī)模信息的快速、穩(wěn)定同步，有效地提高了總線利用率，降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。相比于常規(guī)的以各控制器周期性的自行無序地上送全數(shù)據(jù)的通訊方案而言具有巨大的優(yōu)越性。
文檔編號H04L12/28GK101893876SQ20091008428
公開日2010年11月24日 申請日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者劉靜芳, 奚志江, 朱磊 申請人:北京四方繼保自動化股份有限公司;北京四方博能自動化設(shè)備有限公司