DCS通讯网络分析及提高可靠性的方法

杜华

摘 要：DCS通讯网络在工业控制方面一直有较好的应用能效，但近些年来随着相关技术的发展，其类型逐渐增多，系统也日趋复杂，在可靠性方面出现了一些问题，对DCS通讯网络的发展造成了一定程度的制约。基于此种原因，文章将从DCS通讯网络的特征入手，分析不同种类通讯网络的运作特点，寻找其中会影响系统可靠性的因素，并结合以往的可靠性保障经验，提出有针对性的可靠性提高措施。

关键词：DCS；通讯网络；可靠性

DCS即分散控制系统，能作为中枢系统控制现代化机组的启动、运行与停止。这种控制系统的通讯系统相当完善，能独立构成传输数据的通讯网络，因此即使是复杂的系统也能实现高效的自动化统筹控制。但这个功能赋予了DCS系统网络特征，通讯网络的一大特征就是在系统可靠性方面具有诸多不利因素，继承了这一特征的DCS系统在可靠性方面也受到了一定程度的削弱，因此有必要为DCS通讯网络订立有针对性的可靠性保障措施，为整个系统的安全运作提供基础保障。

1 DCS通讯网络的主要特征

DCS通讯网络在范围性质上属于一种局域网，因此传统的DCS通讯网络在种类上与局域网的类型是一致的，主要包括令牌网与以太网这两种。但近些年局域网的技术不断发展，高速局域网的代表类型之一——FDDI网逐渐获得实用化，DCS通讯网络的类型也相应增加了。这里将依照不同的通讯网络类型来探究DCS通讯网络的主要特征。

1.1 令牌网的主要特征

令牌网以受控通讯技术为核心，通过赋予每一个网络节点最大等待时间实现确定性的网络传输，因此对高负荷通讯有非常好的适性，而且传输稳定，延时较小，所以长期以来的应用都非常广泛。但这种技术对低负荷通讯的适性较差，附加时延的缺点无法消除。另外，由于各种硬件设备的价格比较昂贵，可靠性提高措施中的冗余设置很难实现。

1.2 以太网的主要特征

以太网具有传输媒介灵活的特征，使用双绞线、铜缆、光纤均可，而且相比昂贵的令牌網，以太网的价格相当低廉，安装也很方便，更重要的是基本不存在低负荷时延。不过以太网的稳定性较差，尤其是使用铜缆为传输媒介时，传输延迟非常严重。为了消除这一缺点，有必要尽快升级这种DCS通讯网络的传输媒介，将铜缆和双绞线尽量替换成光纤。

1.3 FDDI网的主要特征

FDDI是近些年才获得实用化的一种新型DCS通讯网络，在可靠性方面比传统的通讯网络类型高出许多。FDDI网不仅实现了全冗余设置，而且由于在通讯方式上使用的令牌传输技术已经完全成熟，所以网络本身具有完全确定性。这两种固有的可靠性保障措施为FDDI网提供了极高的可靠性，令其可以适应对可靠性要求高的复杂系统和大型系统。

2 DCS通讯网络的可靠性提高措施

2.1 通过冗余配置提高可靠性

冗余配置从本质上看属于一种备份措施，基本机理是重复配置DCS系统中的关键模块，这样一来当系统的这一部分发生故障时，立刻就会自动切换到备份模块，令系统工作得以不间断进行。这种可靠性提高措施的效果非常好，在目前各个电厂的主要DCS通讯网络中都有应用。此外，因为冗余配置越多，系统可靠性就越高，所以部分重要的通讯网络为了确保高可靠性还进行了多重冗余配置。

2.2 通过光纤媒介提高可靠性

与普通的双绞线、铜缆等传输媒介相比，光纤媒介在通讯带宽、耐腐蚀性、传输距离、传输误码率、对电磁干扰的抗性等方面都有非常明显的优势，因此通过将传统传输媒介更换为光纤媒介对整个通讯网络的可靠性有很大的优化作用。基于此种原因，近年来有相当一部分DCS通讯网络实行了光纤升级，尤其是自动化和通讯系统，光纤媒介的普及率显著升高。DCS通讯网络对可靠性的要求越来越高，而光纤产品的价格也因为普及率的升高而呈下降趋势，这种势头继续下去的话，相信DCS通讯网络可以在未来实现完全的传输媒介光纤化。

2.3 通过解耦配置提高可靠性

不同系统回路之间的数据耦合现象是引发DCS通讯网络故障的主要原因之一，随着人们对DCS通讯网络的要求日益提高，DCS通讯网络本身不得不朝更加复杂化和精密化的方向发展，这进一步加剧了耦合现象对可靠性的负面影响。因此需要在DCS通讯网络中进行解耦配置，对不同层的数据流量加以隔离，尽可能抑制耦合现象引起的通讯故障，令通讯的实时性得到提高。需要注意的是，耦合现象很难完全消除，但解耦配置对耦合现象引起的通讯故障本身也能起到隔离作用，因此在可靠性的提高方面依然能发挥很强的效能。

2.4 通过无扰切换提高可靠性

为了保证发生故障时的DCS通讯系统能实现无扰切换，系统必须具备两种功能，一种功能是针对整个系统的在线监测，另一种功能是无扰切换的自动化。前者能确保及时发现网络故障，后者能令系统迅速切换至冗余网络（热备状态），二项功能需要具有联动性。目前有些DCS通讯网络针对这种可靠性保障措施做出了进一步的改进，令两个或多个冗余网络进行周期性切换，以避免冗余网络达不到热备状态的现象，这种改进措施进一步提高了通讯网络的可靠性。

2.5 通过数据校检与重发提高可靠性

所发送数据的正确性和完整性是评估DCS通讯网络可靠性的主要因素，因此，大部分系统都设置了对数据进行校检的功能。以该类功能措施中较为常用的CRC为例，这种校检方法会对数据报文进行两次校检，一次在发送前，另一次在接收后，无论哪次校检中发现了错误都会联动系统的自动重发功能，对出错或不完整的数据进行重新发送。

2.6 通过故障脱离与旁路提高可靠性

为了不至于令一个故障接点危害整个通讯网络的正常运作，需要为各个节点设置自动化的脱离与旁路功能。这样一来当这个节点出现故障时，就能自动脱离主体通讯网络，保证整个DCS通讯网络的可靠性。不过与该功能相应，节点还要具备自动恢复功能，以确保故障排除后，节点能自行恢复全部的网络数据。

2.7 通过分离通讯与控制提高可靠性

DCS通讯网络的通讯与控制功能一旦混杂就会有相互影响的可能，这种现象不仅会引发通讯故障，降低网络的工作效率，而且在严重的情况下还会因复杂的控制算法而导致网络传输功能失效。为了避免这种情况，在设计DCS通讯网络时可以将负责通讯功能和控制功能的处理器完全分离开来，令他们处于相对独立的状态，这样一来二者之间的相互影响就能消失，控制处理器不会因通讯处理器的影响而降低控制速度，通讯处理器也不会因控制算法的影响而发生传输无效或传输滞后。总之，分离通讯与控制两项功能的处理器能保证DCS通讯网络的安全性与实时性，提高整个网络的可靠程度。

3 结束语

DCS通讯网络在近些年的发展和普及很快，这其中的原因除了种类的增多、应用领域的拓展、功能性的加强之外，可靠性的提高也是相当重要的一项原因。种类的增多令DCS通讯网络具备了更灵活的适性，应用领域的拓展给DCS通讯网络提供了更广阔的发展空间，功能性的加强提高了DCS通讯网络的能效，而可靠性的提高则增强了用户对DCS通讯网络的应用信心。相信在这些因素的推动下，DCS通讯网络必然能在未来获得更好的发展，发挥出更大的作用和价值。

参考文献

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