CN101893876A - 一种用于大型分布式控制系统的控制网络设计 - Google Patents

一种用于大型分布式控制系统的控制网络设计 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于大型分布式控制系统(DCS)的控制网络设计，这种设计方案包括：将网络上传输的数据信息按实时性要求分类；各类型数据分频率传输；通过调度控制器以相对较长周期调度各控制器的实时数据和管理数据；各控制器挑出数据量较小的逻辑控制数据以小周期在控制网络上调度同步，以满足逻辑运算及控制需求；变位信息优先上送；支持各个网络节点的动增加和减少，动态维护调度链表，以缩小整个网络的数据扫描周期。这种方法在固有的网络带宽下实现了DCS系统大规模信息的快速、稳定同步，有效地提高了总线利用率，降低了网络负荷。相比于常规的以各控制器周期性的自行无序地上送全数据的通讯方案而言具有巨大的优越性。

Description

一种用于大型分布式控制系统的控制网络设计
技术领域
一种用于大型分布式控制系统(DCS)的控制网络设计，主要涉及大型发电厂、石油、化工、冶金、轨道交通等行业的自动化；该技术用于自动化系统的内部实时控制网络的数据及信息同步。
背景资料
随着自动化技术的发展，分布式控制系统(DCS)成为实现工业自动化的基本控制系统，广泛应用于各个工业行业。随着IT技术、现场总线技术、工业以太网的发展，新一代的DCS技术正在快速改变现代工厂的生产运行和管理模式，DCS系统的规模也在迅速发展。如何实现系统内同步数据的快速、可靠传输，实现信息交互和共享成为DCS系统的关键技术之一。该项申报技术就是专门针对大型分布式控制系统的实时控制网络，在固有带宽下实现控制网络上各控制单元信息高效同步。
分布式自动化系统在电力和化工行业的应用具有系统复杂，规模庞大、数据量大、控制实时性要求高等特点。除了采集由AI、DI、AO、DO等I/O模块采集传感器、执行器等数据外，规模不断扩大的DCS系统逐渐将ECS的电动机、厂用变、备自投、线路保护等保护测控信息采集进来。大型或超大型DCS系统点数多达几万点，除实时数据外一些管理信息也需要上传主控层。而控制层一方面对数据实时性方面要求较高，一般的逻辑控制100ms级，更有一些实时性高的向10ms级发展，所以要求数据同步周期要短，不能高于逻辑控制周期。另一方面要求网络占用率要小于20％。
目前的控制系统网络多为基于以太网设计，以太网采用CSMA/CD技术，网络负荷较大时，网络传输就会不稳定。传统的控制网络采用将各控制器节点的全数据定时刷新的方式同步信息，各节点数据自行上送。这种将实时性要求不同的信息一次同步的方式，如果同步周期短，则网络负荷高，如果同步周期长，则控制系统的实时性就不能得到保障。另外数据自行上送导致网络流量不确定性，可能时而拥堵时而空闲。图2示意了这种机制下数据同步周期为500ms的网络数据时序图。控制网络上挂五个控制器，每个控制器全数据为4kbyte左右，此时网络负荷已经达到32％。因此传统的控制网络具有效率低，数据信息同步不稳定、不可靠的弊端。
发明内容
本发明涉及一种大型分布式控制系统(DCS)的控制网络设计，实现在固有带宽下实现信息高效、快速、可靠同步的方法和技术。
大型分布式控制系统的控制网络将分散分布的各控制器连接起来，在控制网络上传输各控制器的同步信息，实现信息共享。每个控制器节点通过挑点将其它控制器逻辑控制所需的上网点数据整理出来，与其它数据分离，单独快速调度同步，这部分数据量小，最多只有几百个字节，同步周期为10ms级，可以根据需求设定。再将全数据分为实时数据和管理数据分别分为秒级和十秒级频率同步。这两类数据量较大多达数千字节，为了避免网络冲撞，均衡使用带宽，通过协调控制器分时调度来协调。另外配合变位信息优先上送功能，将实时变化的信息作为其它网络报文的附加帧及时上送给各控制器和主控层。网络节点可以动态自动增加和减少，协调控制器实时检测网络上节点的状态。调度DPU检测到新的控制器节点后将其加入调度链表，控制器节点离线后，该控制器从调度链表上删除。协调控制器根据实时根据调度链表上节点个数动态调整扫描周期。调度帧通过10ms级的实时逻辑控制数据同步报文中的描述符控制实现，即一帧控制数据同步报文既同步了控制数据，又实现了数据调度，并充当了网络心跳功能。协调控制器是挂在控制网络上的一个控制器节点中的一员，由控制网络上的控制器通过主动发送自举帧，经过网络仲裁后动态自行选出。
这种设计方案有效提高了总线利用效率、降低了网络负荷，提升了DCS系统的控制性能。相比于常规的以各控制器定时刷新全数据通信方案而言具有巨大的优越性。
附图说明
图1示意了分布式控制系统的控制网络结构图；
图2示意了目前无调度及数据分离机制的网络数据时序图；
图3示意了控制网络调度机制及网络数据时序图；
图4示意了网络节点动态增加删除时的网络调度机制。
具体实施方案
由多个控制器组成的控制网络如图1所示。各种控制器信息通过实时控制网络实现数据共享。
步骤和方法如下：
1.根据实际逻辑组态需求，每个DPU将需要引用跨DPU信息的控制器列为自己的信任平行节点，将其它控制器所需的信息列为上网点。
2.系统上电后在约定时间内主动发送自举帧，根据节点号仲裁出协调控制器。协调控制器将控制网络上的控制器列为信任节点。
3.协调控制器实时检测控制网络上各控制器节点状态。根据实际控制实时性要求以及在线网络节点个数，确定逻辑控制数据调度周期，调度各节点的逻辑控制数据以10ms级的频率在控制网络上快速同步。
4.协调控制器以200ms一个控制器的频率分时调度各活动控制器节点的实时数据，以十倍于实时数据调度周期调度包含管理数据和实时数据的全数据。
5.在以下情况下，协调控制器优先调度该控制器的全数据，如发生新增加控制器节点、节点由离线变为活动状态、控制器节点有重要信息变化等。
6.各控制器节点收到协调控制器的调度后立刻响应相应数据帧。
7.各控制器节点同时实时监测协调控制器状态，协调控制器失效后，剩余控制器再次自举仲裁产生新的协调控制器。
图3示意了一个小型的有五个控制器组成的控制网络的调度机制和网络数据时序。1”、2”、3”、4”、5”分别为五个控制器的上网点同步数据，大小为300byte，同步周期为50ms；1’、2’、3’、4’、5’分别为五个控制器的实时数据，大小为2Kbyte左右，同步周期为1s；1，2，3，4，5分别为五个控制器的控制器全数据，大小约为4Kbyte左右，同步周期为10s。图4示意了在运行过程中某控制器发生离线后和由离线变为运行态的调度情况。DPU4离线后实时数据的同步周期缩短到了800ms。DPU4再次投入运行后，立刻同步一次该控制器全数据，之后又按照新的节点列表周期调度，全数据同步周期相应扩大到1s。
对比图2，从时序图上可以看到通过这种网络信息同步方式，逻辑控制数据刷新周期可以达到10ms级，满足了各方对数据的实时性要求，均衡了网络数据流，有效提高了总线利用效率、降低了网络负荷，提升了DCS系统的控制性能。

Claims (1)

1.一种用于大型分布式控制系统(DCS)的控制网络设计。其特征在于：
1)根据对数据实时性的不同需求将数据分类，各类数据分不同同步周期同步；
2)协调控制器分时、分频率调度各网络控制器节点的逻辑控制数据、实时数据和管理数据，控制器节点可以灵活动态增加删除节点，协调控制器根据网络节点实际个数动态调整调度周期。
3)各控制器发生变位信息通过附加帧优先上送。
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