大型DCS系统中工业以太网通信协议的设计与应用

摘  要： 在分布式控制系统DCS（Distributed Control System）中，网络通信是骨架，对DCS系统十分重要。为了将传统的以太网技术应用于工业领域，提出一种工业以太网协议技术--DNet(Determinate Net Protocal)。DNet协议技术使得DCS网络通信中的数据传输满足工业控制的确定性、实时性、可靠性与安全性等要求。
关键词： DCS；通信协议；工业以太网
       DCS的系统网络是DCS的基础和核心。DCS系统网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性起着决定性的作用。以太网以办公自动化为目标设计，其独特的优势在商业领域获得了广泛应用，工业以太网的应用也越来越普及。但是将传统的以太网应用于工业领域还存在明显的缺陷。
    （1）不满足工业系统确定性、实时性要求[1-2]。
     由于以太网的MAC层协议是CSMA/CD，该协议使得网络上存在冲突，特别是在网络负荷过大时，冲突更加明显。对于一个工业网络，如果存在着大量的冲突，就必须多次重发数据，使得网间通信的不确定性大大增加，信息不能按要求实时传输。在工业控制网络中这种从一处到另一处数据传输的不确定性会带来系统控制性能的降低，甚至引发设备与人身安全事故。
    （2）不满足工业系统可靠性要求。
     在工业网络应用中。当以太网应用到工业现场，面对恶劣的工况或严重的线间干扰时，会引起可靠性的降低。在DCS系统中，需要通过设备与网络的冗余来保证系统的可靠性。
     在此背景下，本文提出一种可以解决传统以太网缺陷[3-4]的应用于DCS系统的网络技术--DNet（Determinate Net Protocal）。DNet是以以太网为基础，为满足工业DCS系统特点而设计的工业以太网网络协议技术。
1 DNet技术简介
     DNet协议是处于应用层与驱动层之间的协议技术，在系统中的位置与TCP/IP协议平行。DNet的核心模块是令牌调度模块，令牌调度模块使用令牌环调度技术来实现。系统中所有节点首先注册到令牌环中，通过令牌来控制数据发送的权限，拥有令牌的节点才有发送数据的权限。令牌是指网络中很小的包含网络节点信息的数据包。在网络中，任何时候都只有一个节点拥有令牌。令牌环中的节点收到令牌后发送数据，数据发送完毕后再将令牌发送给令牌环中的下一个节点。令牌环节点数据发送流程如图1所示。
   
       通过令牌调度模块，控制数据发送权限，保证了任何时候DCS系统网络只有一个节点在发送数据，解决了以太网MAC层协议CSMA/CD引发的网络冲突。保证了数据传输的确定性和实时性。为了满足工业系统可靠性要求，设计实现了双网冗余，当数据通信的网络出现故障时，通过DNet协议技术可以快速无扰切换到冗余网络。
     DNet协议在系统中的位置与TCP/IP协议平行。DNet协议在系统中的位置如图2所示。