姚  远：陕西国华锦界能源责任有限公司

    1   MACSTM DCS概况

    陕西国华锦界电厂2×600MW机组DCS使用北京和利时系统工程股份有限公司设计、开发的MACSTM分散控制系统，该系统采用ProfiBus-DP 现场总线技术。上位机使用的支撑软件PLANTVIEW，系统采用C/S结构，对所有的上位机统一进行数据服务，可设置1:1软件冗余，并可将各类服务分散到系统网络上具有相应硬件配置的计算机上。
系统共分成3个域：#1机组、#2机组和公用系统。单元机组网络分成2个段，空冷和机侧系统一个段、电气和炉侧系统一个段，每个段配置2台冗余服务器。

    1.1 冗余服务器

    系统由两组冗余服务器组成，由此将系统划分成两个段，每个段可由独立的服务器、系统网络SNET 和多个现场控制站（即I/O站）组成，完成相对独立的采集和控制功能。MACSTM系统的网络由上到下分为管理网络（即MNET 网）、系统网络（即SNET 网）和控制网络（即CNET 网）三个层次，系统网络实现工程师站、操作员站、系统服务器与现场控制站的互连，控制网络实现主控单元与过程I/O 单元的通讯，目前系统采用3COM网络交换机构成双星形普通以太网，网络带宽100Mbps。

    1.2 FM801冗余主控单元

    MACSTM系统现场控制站标准配置为两个互为冗余的主控单元，主控单元上有硬件构成的冗余切换电路和故障自检电路。系统中标准配置为两个主控单元进行热备份，它们同时接收网络数据，两个主控单元同时做控制运算，但只有一个输出运算结果，且实时更新数据。一旦工作中的主控单元发生故障，备份主控单元自动进入工作状态，而切换过程是无扰的，每个主控单元设计有两套SNET网络接口电路网络带宽10/100Mbps自适应，接口形式为RJ45接口使用超5类线，分配有不同的IP地址，即实现SNET网络的双冗余结构。

    主控单元完成现场控制站中除实时数据输入/输出外的各项工作，实现对本站下IO 模块数据的采集及运算和接受服务器的组态命令及数据交换，通过冗余以太网接口把现场控制站的所有数据上传到MACSTM系统服务器，操作员站/工程师站指令也通过以太网下传到FM801主控单元内多功能接口卡上带有CNET网络接口，用以同各个I/O模块进行通信。每个主控单元内配置冗余的两个SNET网接口，用于与系统服务器进行通信。主控单元支持冗余配置，也可以单独配置。两个以太网接口SENT1、SENT2 采用10Base-T（使用RJ45 连接器）网络标准,实现与外部（服务器站/操作员站/工程师站）的数据交换,一个以太网接口RNET 用于主/从主控单元间的数据备份，MACSTM 系统中，每个现场控制站主控单元均有唯一的一个站号。用5 类双绞线将主控单元的SNET 接口连入以太网交换机，就接入了SNET 网络。

    将所有的SNET1 网线接入一个交换机，所有的SENT2 网线接入另一个交换机，从而实现网络冗余结构。

    1.3 数据通讯系统

    MACSTM系统通讯是三级通讯即管理网络（即MNET 网）、系统网络（即SNET 网）和控制网络（即CNET 网）三个层次首先是通过系统网络与系统服务器通信，接收工程师站的初始下装数据和在线增量下装数据，以及操作员在线修改的数据，另一方面周期性的将模拟量数据和开关量状态变化数据发送到系统服务器，其次通过控制网络向I/O 模块传送初始化数据和控制输出数据并接收模板采集的数据和报告的状态。

    这种采用商用交换机构成的星形以太网，具有网络带宽高、冗余度较高（实验得知，不是交换机故障引起的局部网络故障不会导致整个网段切换）、系统易于扩充等优点，但缺点是网络结构复杂，管理维护复杂，局部故障的可能性比双冗余的环网高等。

    2  DCS现场站功能分配

    作为分析网络结构和网络性能的必要资料，首先需要了解DCS网络控制站的分配与组成，在划分网段时应按照控制站系统功能划分段，这样能最大程度减少两个网段之间数据交换量。

    锦界电厂DCS项目单元机组控制站28个，公用系统控制站4个。具体功能分配见下：

    单元机组：共28个控制站

    (1) 空冷系统：共7个控制站（布置于空冷配电室）

    (2) 汽机侧控制站：共7个控制站

    (3) 锅炉侧控制站：共10个控制站

    (4) 电气系统控制：共4控制站

    (5) 公用系统：共4个控制站

    以上控制站按照机侧和空冷一个网段，炉侧和电气一个网段分配，每个网段配置两台冗余服务器，服务器所挂接的交换机为千兆接口，单元机组和公用系统各自构成域。

    3  工业以太网

    锦界电厂600MW机组DCS系统其通讯方式为CIS结构，对服务器依赖性较大，由于生产企业的工业特性以及对数据实时性的要求，对于网络结构和网络传输性能较一般民用网络相比有更严格的要求，这个时候，工业以太网络成为解决这一问题的首选方案。

    交换机实际上是连接两个数据链路的网桥，也就是说碰撞域在每个交换机端口进行了终结。所以，增加了交换机就扩展了网络地理上的范围，级联交换机可以大规模地实现网络扩展。

    交换机端口自动与附属端口进行速率协商。流量控制功能也通过协商进行。全双工网段采用PAUSE方案，半双工网段通常采用backpressure方案。

    4  工业交换机与商用交换机性能比较

表1 应用在IA和商用环境中的交换机的要求比较

    虽然在工业以太网领域和办公以太网环境中的以太网采用相同的标准，但是他们对于网络产品的需求是截然不同的，见表1。工业环境的网络产品要求在极端条件下的可靠性，能够适应强电磁干扰、宽工作温度范围和机械负载的要求。
引用锦界电厂目前配置的3COM商用交换机和德国赫斯曼工业交换机作为比较对象，比较Power MICE和3COM 4228G（3C17304）这两款交换机，它们在功能和性能上存在的差异。

    4.1 网络冗余功能

    商用级别的以太网产品组成冗余网络的方案普遍使用RSTP（快速生成树算法，IEEE 802.1W）需要启动STP协议，其网络中断恢复时间一般为3s以上，同采用STP（生成树）技术组环相比，由于生成树技术需要所有交换机必须根据相应的计算方法寻找逻辑树。故采用快速生成树的计算方法，一般需要30～90s的时间。同时在计算生成树的过程中各链路处于完全断开状态。但对于工业网络，这个恢复时间还是远远不够的。而工业机的环网仅仅在切换中已传递的数据延迟不到500ms而已，没有数据包丢失的问题。

    4.2 认证及电磁兼容性

    工业以太网产品可以工作在严酷的电磁环境中，并且对于数据口防雷、快速脉冲群，静电等都有较高的防护等级，而商业使用的产品这一点是不具备的。Power MICE使用的是普通以太网的标准，符合各种工业协会和组织对相关工业设备的认证要求，通过UL508、c-UL、CSA C22.2 No. M91认证，并且具有CE 认证标识，适合欧盟国家的使用标准，对于电磁干扰（EMC）的兼容性，具有资讯技术设备（ITE）的认证。

    4.3 电源供应

    电源供电部分是任何产品的根源，所有产品出现故障，其电源故障所占的比率为35%以上。所以工业产品为了避免电源故障造成的麻烦，工业系统通常是由共用的低压控制变压器或直流供电提供电源。工业交换机可以在适合各种控制设备中的宽范围的交流和直流供电下工作（冗余电源连接）。这种灵活性的关键是一个宽范围的直流对直流的转接器，可以在停电情况下，通过一个大容量的电容来控制工厂供电中常出现的电压高低不稳的现象。商用产品一般采用交流单电源供电，需要通过电源变压器来供电，对控制柜内使用的产品来说非常不方便，而且还有可能意外的断开，供电方式不稳定。

    4.4 温度

    工业交换机工作的温度范围可达-35℃～75℃；0℃～45℃是商业产品的应用范围。

    4.5 安装

    工业交换机设备通常安装在小型柜板上，然后再安装在机柜中，设备或者是用螺丝安装，或者是嵌入到钉轨上，具有稳固的防震措施。商用交换机在桌面放置，或使用19英寸的机架安装。

    4.6 稳定性

    工业交换机具有很长的产品生命期，产品更换频度小于商用交换机，工业交换机的MTBF（平均无故障工作时间）约为20年左右，这一点较商用交换机有较大优势。

    4.7 网络管理

    工业级交换机配置有网络监视和管理软件，监控软件的使用使DCS系统有了监视和优化网络的能力，同时因为网络监控软件具备设备监视功能，可以在第一时间发现故障点。

    5  交换机对于DCS性能的影响

    由以上对锦界电厂DCS网络结构的介绍以及对工业交换机与商用交换机的比较，我们结合锦界电厂DCS将两种交换机对分散控制系统的影响做一分析。

    5.1 CIS结构下交换机对控制系统的影响

    5.1.1 CIS系统组成

    锦界电厂单元机组DCS由两个段构成，每个段有冗余服务器，每台服务器配有两块千兆网卡接入千兆的交换机。

    我们暂将空冷和机侧控制的网段定义成为A段，将电气和炉侧控制的网段定义成为B段，1台工程师站、5台操作员站、1台历史数据站、2台通讯站和1台SIS网关均配置双网卡与服务器接入同一组冗余交换机，服务器与工程师站、操作员站构成典型的Client/Server (客户机/服务器)结构模式。对于各个控制站上传的数据均由服务器采集发送到工程师站、操作员站，同时以全双工的模式将工程师站、操作员站的操作指令发送到各个控制器，各个控制站之间数据使用CNET通讯，不需要再通过服务器。服务器和工程师站、操作员使用了标准的TCP/IP协议，通过以太网把它们连接起来，服务器具有动态数据库， Client不必具备Server的全部功能，它们通过网络共享Server的数据和其他功能。这种结构可以充分利用资源，提高效率。将文件集中存放，减少了重复拷贝的数量，对于系统维护及数据保持一致很有好处。同时Client的退出和加入系统不会对系统造成干扰，提高了系统的可靠性。Client是操作员站，也可以是使用其他操作系统的通用计算机，系统通过以太网和TCP/IP协议把服务器中的过程数据传送到这一客户中，因此将两台通信站和SIS网关也接入到服务器网络中。

    DCS的SNET的核心是冗余服务器和交换机，交换机的数据处理能力以及包转发能力影响到了系统的效率（包括画面刷新率、数据刷新率等），同时由于单元机组设两个段分别有各自交换机，存在数据交换，因此交换机之间包转换延时也很重要。服务器同时还要通过交换机为SIS网关机提供实时数据。

    5.1.2 CIS系统中交换机配置

    由以上可知因为单元机组网络分为A/B段，应配置有各自的交换机，每段的服务器要处理来自各个用户的数据，服务器接口配置为千兆速率，可使DCS系统通信网络负荷率不超过6%。各控制站之间数据可不通过服务器传送，因此CNET应配置独立交换机，空冷系统距离较远超过了5类线传输距离，因此使用光纤交换机，为空冷系统配置独立交换机。

    5.1.3 控制层网络对交换机的要求

    锦界电厂DCS控制网络为多目标存储转发式，该协议没有通讯指挥器，对通讯来说，各节点的地位是平等的，每一节点都是独立的，带有缓冲寄存器的信息转发器。每一转发器随时独立地接收，发送或撤消数据。每一节点通过交换机与其它节点连接。而网络上每个节点都是双工的，可以同时向下游节点发送或从上游节点接收数据。这样的传递过程使系统中所有节点都在信息中留有记录，提高了效率。

    由于该协议没有指挥器，所以去掉了等待诸如指挥器、令牌、时间间隙的时间，并且同一时刻内所有节点均能发送、转发、接收、撤消信息报告，使网络的利用率提高。由于使用了点对点的传送方式，并且经过寄存器的重新转发，所以有较强的抗干扰能力、多极的校验措施，从而可以适度的长距离传输。也就是说，不是一个信包在网络上传递，而是多个信包，这就要求交换机具备很强的包转发能力，其包转发延时应尽可能的小。工业交换机包处理不如商用交换机，但是在包转发延时方面具备很大优势，对于这种存储转发通讯模式需要大量包转发要求的网络，其转发包的低延时性对提高网络性能、防止信息堵塞很有好处。

    5.1.4 工业交换机和商用交换机在CIS模式下数据处理能力分析

    服务器要为各个用户处理和发送大量数据，我们分别以1000M工业和商业交换机为例计算其处理4096 byte数据所需时间。

    （1）工业交换机数据处理能力分析

    工业交换机采用小数据帧，单位为64byte 。

    说明：[每个数据包 = 64byte数据帧 + 8byte帧前置位+12byte帧间隙]

    4096 byte数据＝64数据包＝5376byte

    包传输时延：

    实时传输5376byte：

    0.58（0.576千兆单帧传输时间）×64+ 14（交换机转发时间）+ 5.76（百兆单帧传输时间）= 56.88 us

    （2）商用交换机数据处理能力分析

    因为控制数据均为少量数据因此也是小数据帧，商用交换机数据帧单位为64byte 。

    说明：[每个数据包 = 64byte数据帧 + 8byte帧前置位+12byte帧间隙]

    （数据包/秒参数与背板带宽是成正比的，但不是同一参数）

    包传输时延：

    商用以太网交换机的包转发时延为2-3毫秒 ，实时传输5376byte：

    0.17（0.17千兆单帧传输时间）×64+ 200（交换机转发时间）+ 5.76（百兆单帧传输时间）= 216.64 us

    对于锦界电厂DCS若使用工业交换机可使数据处理能力得到较大提高。

    5.2 交换机稳定性对控制系统可用率的影响

    5.2.1 DCS可用率计算     

    A=（tt - tf）/tt*100%

    tf= ∑kfi*tfi

    其中：tt 为实际试验时间；tf为系统设备总故障时间；kfi为第i个设备的故障加权系数；tfi为第i个设备的故障停用时间。
 
    5.2.2 交换机故障率    

    根据技术协议的要求DCS可用率至少应达到99.99％，我们设交换机故障为一类故障，即认为直接引起跳机的故障，它的故障加权系数为1，多个交换机应累计考虑，锦界电厂共配置8组冗余交换机。MICE系列交换机的平均无故障时间（MTBF）为144,258小时，3COM的平均无故障时间（MTBF）为47,006小时。

    目前DCS正常工作周期为10年，极限工作年限为15年，以每年平均工作7700小时计算，全周期使用时间为77000小时，由上表可知工业交换机无故障运行时间可有效覆盖DCS的正常工作周期，商用交换机的MTBF 无法包括DCS的正常工作周期，8组冗余交换机在DCS工作周期内出现故障的概率很大。

    600MW机组每次非计划停机按损失150万元计算，投资在工业交换机上的费用比在全周期内由于商用交换机可靠性差引起的非计划停机造成的损失要小。

    5.3 交换机切换稳定性对控制系统可用率的影响

    工业交换机冗余切换周期小于500ms，商用交换机冗余切换周期为10s，因此商用交换机切换时对于平均扫描周期为200ms的DCS系统而言，成功切换的概率很低，因此在DCS全周期内因交换机故障引起的非计划停机可能性很大。

    5.4 网络管理在控制系统中的作用

    工业交换机具备很强的网络管理功能，在DCS系统中我们对控制器电源、主控制器和I/O卡件均有监视手段，这点很重要，电源和控制器均为冗余系统，单个故障时如没有及时发现将是很危险的，因为有监视和报警手段我们可以及时发现并采取措施避免造成损失。而对于交换机和网络我们还没有合适的监视手段。工业交换机有相应的网络管理软件，可以对网络和端口提供监视，使我们有了及时发现故障的手段，避免了非计划停机，提高了DCS可用率。

    网络管理软件还可以优化网络配置，合理分配网络来进一步提高DCS网络的性能，但我们无法计算出由此可将DCS可用率提高多少。

    6  结论

    6.1 工业交换机的网络冗余切换速度和成功率高于商用交换机，使机组因通讯故障非计划停机的风险降低。

    6.2 工业交换机抗电磁干扰能力高于商用机，但商用交换机若接地和屏蔽处理好，在电磁辐射不强的环境下也不会受电磁干扰影响。

    6.3 工业交换机温度适应性强，但在电子间内工作环境是能满足所有交换机要求的，商用交换机的工作环境条件与本厂DCS相同，不存在商用交换机因温度、湿度导致故障而引起机组非正常停机的可能。

    6.4 工业交换机的安装可减少布线，降低了因网线破损导致通讯故障的可能性。

    6.5 工业交换机在稳定性较商用交换机有较大优势，这对于追求长周期运行的发电厂来说是很重要的。

    6.6 若选择使用工业级交换机应考虑选购其配套的网络管理软件，工业交换机应选购带有网管功能的，这样系统具备网络管理能力，可为DCS网络提供全面的负载和故障分析监视网络负荷率，随时查询网络设备的状态，具有故障陷阱处理功能，这点为DCS网络透明化管理提供可能，将会大大提高网络安全性。

    6.7 工业交换机端口数和数据通讯量不如商用交换机，但不论是选用商用交换机还是工业交换机建议不要采用交换机级联的方式来扩展端口，这样增大了故障风险，若要增加端口商用交换机应采用堆叠的方式，工业交换机应采用背板扩容的方式。

    6.8 工业交换机投资比商用交换机大许多，以锦界电厂为例2×600MW机组含公用系统共90个网络接口点，构成冗余通讯系统，工业交换机的投资将是商业交换机的4倍以上。

    6.9 空冷系统现场控制站受变频器、变压器等因素的干扰且距离较远，与主控室电子间应采用光纤连接，若采用工业交换机因其机架式的特点，建议交换机采用控制柜内安装以减少布线降低电磁干扰，同时做好接地；若采用商用交换机，应单独设立交换机机柜，并在布线时对网线安装金属套管屏蔽，同时做好接地。

    6.10 网络结构可为实现冗余快速切换做适当调整,系统总段上为光纤环网，连接距离远的系统如空冷系统，分段为星形子网的网络结构，如主控电子间和空冷电子间，使网络风险分散，空冷系统采用光纤接入环网，其下挂控制站星形接入空冷核心交换机，某个控制站故障自动切换到另一台空冷核心交换机同时不会导致其它空冷控制站切换，网络具备端口速率限制、端口安全、IGMP Snooping等高端功能。在极端恶劣情况下两根光纤同时断裂，系统自动变为总线型网络不会导致通讯中断。

    6.11 锦界电厂目前分为三个域：#1单元机组、#2单元机组、公用系统。#1机组和#2机组之间靠公用系统连接，公用系统与单元机组之间连接介质为光纤，实现了光电耦合对于系统间隔离有一定好处，但由于物理介质没有完全隔断，仍然存在着机组之间互相通讯的风险，因此须使用MAC地址屏蔽、控制权限设定等功能，在工业级的网络管理中均提供有这些功能。

    6.12 冗余DELL PE2800塔式服务器在性能上可以满足对服务器的要求，正常运行时客户机从主服务器得到数据，当主服务器出现故障时客户机自动地更换以太网地址，与冗余的服务器连接，DCS厂家应给出服务器切换的时间，建议内存增加到2G以提高系统性能。

    6.13 目前锦界电厂DCS的网络结构和交换机配置能满足数据可靠、高效通讯的要求，若要进一步提高DCS系统性能和稳定性，提高网络的效率和可靠性，应采用工业交换机和相应的网络管理软件。

    其他作者：梅德奇（1973―），男，工程师，陕西国华锦界能源责任有限公司设备维护部主任工程师，从事600MW机组DCS系统的研究和管理工作。