[发明专利]一种用于大型分布式控制系统的控制网络设计

说明书

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。