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姚 遠：陜西國華錦界能源責任有限公司
1 MACSTM DCS概況
陜西國華錦界電廠2×600MW機組DCS使用北京和利時系統工程股份有限公司設計、開發的MACSTM分散控制系統，該系統采用ProfiBus-DP 現場總線技術。上位機使用的支撐軟件PLANTVIEW，系統采用C/S結構，對所有的上位機統一進行數據服務，可設置1:1軟件冗余，并可將各類服務分散到系統網絡上具有相應硬件配置的計算機上。
系統共分成3個域：#1機組、#2機組和公用系統。單元機組網絡分成2個段，空冷和機側系統一個段、電氣和爐側系統一個段，每個段配置2臺冗余服務器。
1.1 冗余服務器
系統由兩組冗余服務器組成，由此將系統劃分成兩個段，每個段可由獨立的服務器、系統網絡SNET 和多個現場控制站（即I/O站）組成，完成相對獨立的采集和控制功能。MACSTM系統的網絡由上到下分為管理網絡（即MNET 網）、系統網絡（即SNET 網）和控制網絡（即CNET 網）三個層次，系統網絡實現工程師站、操作員站、系統服務器與現場控制站的互連，控制網絡實現主控單元與過程I/O 單元的通訊，目前系統采用3COM網絡交換機構成雙星形普通以太網，網絡帶寬100Mbps。
1.2 FM801冗余主控單元
MACSTM系統現場控制站標準配置為兩個互為冗余的主控單元，主控單元上有硬件構成的冗余切換電路和故障自檢電路。系統中標準配置為兩個主控單元進行熱備份，它們同時接收網絡數據，兩個主控單元同時做控制運算，但只有一個輸出運算結果，且實時更新數據。一旦工作中的主控單元發生故障，備份主控單元自動進入工作狀態，而切換過程是無擾的，每個主控單元設計有兩套SNET網絡接口電路網絡帶寬10/100Mbps自適應，接口形式為RJ45接口使用超5類線，分配有不同的IP地址，即實現SNET網絡的雙冗余結構。
主控單元完成現場控制站中除實時數據輸入/輸出外的各項工作，實現對本站下IO 模塊數據的采集及運算和接受服務器的組態命令及數據交換，通過冗余以太網接口把現場控制站的所有數據上傳到MACSTM系統服務器，操作員站/工程師站指令也通過以太網下傳到FM801主控單元內多功能接口卡上帶有CNET網絡接口，用以同各個I/O模塊進行通信。每個主控單元內配置冗余的兩個SNET網接口，用于與系統服務器進行通信。主控單元支持冗余配置，也可以單獨配置。兩個以太網接口SENT1、SENT2 采用10Base-T（使用RJ45 連接器）網絡標準,實現與外部（服務器站/操作員站/工程師站）的數據交換,一個以太網接口RNET 用于主/從主控單元間的數據備份，MACSTM 系統中，每個現場控制站主控單元均有唯一的一個站號。用5 類雙絞線將主控單元的SNET 接口連入以太網交換機，就接入了SNET 網絡。
將所有的SNET1 網線接入一個交換機，所有的SENT2 網線接入另一個交換機，從而實現網絡冗余結構。
1.3 數據通訊系統
MACSTM系統通訊是三級通訊即管理網絡（即MNET 網）、系統網絡（即SNET 網）和控制網絡（即CNET 網）三個層次首先是通過系統網絡與系統服務器通信，接收工程師站的初始下裝數據和在線增量下裝數據，以及操作員在線修改的數據，另一方面周期性的將模擬量數據和開關量狀態變化數據發送到系統服務器，其次通過控制網絡向I/O 模塊傳送初始化數據和控制輸出數據并接收模板采集的數據和報告的狀態。
這種采用商用交換機構成的星形以太網，具有網絡帶寬高、冗余度較高（實驗得知，不是交換機故障引起的局部網絡故障不會導致整個網段切換）、系統易于擴充等優點，但缺點是網絡結構復雜，管理維護復雜，局部故障的可能性比雙冗余的環網高等。
2 DCS現場站功能分配
作為分析網絡結構和網絡性能的必要資料，首先需要了解DCS網絡控制站的分配與組成，在劃分網段時應按照控制站系統功能劃分段，這樣能最大程度減少兩個網段之間數據交換量。
錦界電廠DCS項目單元機組控制站28個，公用系統控制站4個。具體功能分配見下：
單元機組：共28個控制站
(1) 空冷系統：共7個控制站（布置于空冷配電室）
(2) 汽機側控制站：共7個控制站
(3) 鍋爐側控制站：共10個控制站
(4) 電氣系統控制：共4控制站
(5) 公用系統：共4個控制站
以上控制站按照機側和空冷一個網段，爐側和電氣一個網段分配，每個網段配置兩臺冗余服務器，服務器所掛接的交換機為千兆接口，單元機組和公用系統各自構成域。
3 工業以太網
錦界電廠600MW機組DCS系統其通訊方式為CIS結構，對服務器依賴性較大，由于生產企業的工業特性以及對數據實時性的要求，對于網絡結構和網絡傳輸性能較一般民用網絡相比有更嚴格的要求，這個時候，工業以太網絡成為解決這一問題的首選方案。
交換機實際上是連接兩個數據鏈路的網橋，也就是說碰撞域在每個交換機端口進行了終結。所以，增加了交換機就擴展了網絡地理上的范圍，級聯交換機可以大規模地實現網絡擴展。
交換機端口自動與附屬端口進行速率協商。流量控制功能也通過協商進行。全雙工網段采用PAUSE方案，半雙工網段通常采用backpressure方案。
4 工業交換機與商用交換機性能比較
表1 應用在IA和商用環境中的交換機的要求比較
雖然在工業以太網領域和辦公以太網環境中的以太網采用相同的標準，但是他們對于網絡產品的需求是截然不同的，見表1。工業環境的網絡產品要求在極端條件下的可靠性，能夠適應強電磁干擾、寬工作溫度范圍和機械負載的要求。
引用錦界電廠目前配置的3COM商用交換機和德國赫斯曼工業交換機作為比較對象，比較Power MICE和3COM 4228G（3C17304）這兩款交換機，它們在功能和性能上存在的差異。
4.1 網絡冗余功能
商用級別的以太網產品組成冗余網絡的方案普遍使用RSTP（快速生成樹算法，IEEE 802.1W）需要啟動STP協議，其網絡中斷恢復時間一般為3s以上，同采用STP（生成樹）技術組環相比，由于生成樹技術需要所有交換機必須根據相應的計算方法尋找邏輯樹。故采用快速生成樹的計算方法，一般需要30～90s的時間。同時在計算生成樹的過程中各鏈路處于完全斷開狀態。但對于工業網絡，這個恢復時間還是遠遠不夠的。而工業機的環網僅僅在切換中已傳遞的數據延遲不到500ms而已，沒有數據包丟失的問題。
4.2 認證及電磁兼容性
工業以太網產品可以工作在嚴酷的電磁環境中，并且對于數據口防雷、快速脈沖群，靜電等都有較高的防護等級，而商業使用的產品這一點是不具備的。Power MICE使用的是普通以太網的標準，符合各種工業協會和組織對相關工業設備的認證要求，通過UL508、c-UL、CSA C22.2 No. M91認證，并且具有CE 認證標識，適合歐盟國家的使用標準，對于電磁干擾（EMC）的兼容性，具有資訊技術設備（ITE）的認證。
4.3 電源供應
電源供電部分是任何產品的根源，所有產品出現故障，其電源故障所占的比率為35%以上。所以工業產品為了避免電源故障造成的麻煩，工業系統通常是由共用的低壓控制變壓器或直流供電提供電源。工業交換機可以在適合各種控制設備中的寬范圍的交流和直流供電下工作（冗余電源連接）。這種靈活性的關鍵是一個寬范圍的直流對直流的轉接器，可以在停電情況下，通過一個大容量的電容來控制工廠供電中常出現的電壓高低不穩的現象。商用產品一般采用交流單電源供電，需要通過電源變壓器來供電，對控制柜內使用的產品來說非常不方便，而且還有可能意外的斷開，供電方式不穩定。
4.4 溫度
工業交換機工作的溫度范圍可達-35℃～75℃；0℃～45℃是商業產品的應用范圍。
4.5 安裝
工業交換機設備通常安裝在小型柜板上，然后再安裝在機柜中，設備或者是用螺絲安裝，或者是嵌入到釘軌上，具有穩固的防震措施。商用交換機在桌面放置，或使用19英寸的機架安裝。
4.6 穩定性
工業交換機具有很長的產品生命期，產品更換頻度小于商用交換機，工業交換機的MTBF（平均無故障工作時間）約為20年左右，這一點較商用交換機有較大優勢。
4.7 網絡管理
工業級交換機配置有網絡監視和管理軟件，監控軟件的使用使DCS系統有了監視和優化網絡的能力，同時因為網絡監控軟件具備設備監視功能，可以在第一時間發現故障點。
5 交換機對于DCS性能的影響
由以上對錦界電廠DCS網絡結構的介紹以及對工業交換機與商用交換機的比較，我們結合錦界電廠DCS將兩種交換機對分散控制系統的影響做一分析。
5.1 CIS結構下交換機對控制系統的影響
5.1.1 CIS系統組成
錦界電廠單元機組DCS由兩個段構成，每個段有冗余服務器，每臺服務器配有兩塊千兆網卡接入千兆的交換機。
我們暫將空冷和機側控制的網段定義成為A段，將電氣和爐側控制的網段定義成為B段，1臺工程師站、5臺操作員站、1臺歷史數據站、2臺通訊站和1臺SIS網關均配置雙網卡與服務器接入同一組冗余交換機，服務器與工程師站、操作員站構成典型的Client/Server (客戶機/服務器)結構模式。對于各個控制站上傳的數據均由服務器采集發送到工程師站、操作員站，同時以全雙工的模式將工程師站、操作員站的操作指令發送到各個控制器，各個控制站之間數據使用CNET通訊，不需要再通過服務器。服務器和工程師站、操作員使用了標準的TCP/IP協議，通過以太網把它們連接起來，服務器具有動態數據庫， Client不必具備Server的全部功能，它們通過網絡共享Server的數據和其他功能。這種結構可以充分利用資源，提高效率。將文件集中存放，減少了重復拷貝的數量，對于系統維護及數據保持一致很有好處。同時Client的退出和加入系統不會對系統造成干擾，提高了系統的可靠性。Client是操作員站，也可以是使用其他操作系統的通用計算機，系統通過以太網和TCP/IP協議把服務器中的過程數據傳送到這一客戶中，因此將兩臺通信站和SIS網關也接入到服務器網絡中。
DCS的SNET的核心是冗余服務器和交換機，交換機的數據處理能力以及包轉發能力影響到了系統的效率（包括畫面刷新率、數據刷新率等），同時由于單元機組設兩個段分別有各自交換機，存在數據交換，因此交換機之間包轉換延時也很重要。服務器同時還要通過交換機為SIS網關機提供實時數據。
5.1.2 CIS系統中交換機配置
由以上可知因為單元機組網絡分為A/B段，應配置有各自的交換機，每段的服務器要處理來自各個用戶的數據，服務器接口配置為千兆速率，可使DCS系統通信網絡負荷率不超過6%。各控制站之間數據可不通過服務器傳送，因此CNET應配置獨立交換機，空冷系統距離較遠超過了5類線傳輸距離，因此使用光纖交換機，為空冷系統配置獨立交換機。
5.1.3 控制層網絡對交換機的要求
錦界電廠DCS控制網絡為多目標存儲轉發式，該協議沒有通訊指揮器，對通訊來說，各節點的地位是平等的，每一節點都是獨立的，帶有緩沖寄存器的信息轉發器。每一轉發器隨時獨立地接收，發送或撤消數據。每一節點通過交換機與其它節點連接。而網絡上每個節點都是雙工的，可以同時向下游節點發送或從上游節點接收數據。這樣的傳遞過程使系統中所有節點都在信息中留有記錄，提高了效率。
由于該協議沒有指揮器，所以去掉了等待諸如指揮器、令牌、時間間隙的時間，并且同一時刻內所有節點均能發送、轉發、接收、撤消信息報告，使網絡的利用率提高。由于使用了點對點的傳送方式，并且經過寄存器的重新轉發，所以有較強的抗干擾能力、多極的校驗措施，從而可以適度的長距離傳輸。也就是說，不是一個信包在網絡上傳遞，而是多個信包，這就要求交換機具備很強的包轉發能力，其包轉發延時應盡可能的小。工業交換機包處理不如商用交換機，但是在包轉發延時方面具備很大優勢，對于這種存儲轉發通訊模式需要大量包轉發要求的網絡，其轉發包的低延時性對提高網絡性能、防止信息堵塞很有好處。
5.1.4 工業交換機和商用交換機在CIS模式下數據處理能力分析
服務器要為各個用戶處理和發送大量數據，我們分別以1000M工業和商業交換機為例計算其處理4096 byte數據所需時間。
（1）工業交換機數據處理能力分析
工業交換機采用小數據幀，單位為64byte 。
說明：[每個數據包 = 64byte數據幀 + 8byte幀前置位+12byte幀間隙]
4096 byte數據＝64數據包＝5376byte
包傳輸時延：
實時傳輸5376byte：
0.58（0.576千兆單幀傳輸時間）×64+ 14（交換機轉發時間）+ 5.76（百兆單幀傳輸時間）= 56.88 us
（2）商用交換機數據處理能力分析
因為控制數據均為少量數據因此也是小數據幀，商用交換機數據幀單位為64byte 。
說明：[每個數據包 = 64byte數據幀 + 8byte幀前置位+12byte幀間隙]
（數據包/秒參數與背板帶寬是成正比的，但不是同一參數）
包傳輸時延：
商用以太網交換機的包轉發時延為2-3毫秒 ，實時傳輸5376byte：
0.17（0.17千兆單幀傳輸時間）×64+ 200（交換機轉發時間）+ 5.76（百兆單幀傳輸時間）= 216.64 us
對于錦界電廠DCS若使用工業交換機可使數據處理能力得到較大提高。
5.2 交換機穩定性對控制系統可用率的影響
5.2.1 DCS可用率計算
A=（tt - tf）/tt*100%
tf= ∑kfi*tfi
其中：tt 為實際試驗時間；tf為系統設備總故障時間；kfi為第i個設備的故障加權系數；tfi為第i個設備的故障停用時間。
5.2.2 交換機故障率
根據技術協議的要求DCS可用率至少應達到99.99％，我們設交換機故障為一類故障，即認為直接引起跳機的故障，它的故障加權系數為1，多個交換機應累計考慮，錦界電廠共配置8組冗余交換機。MICE系列交換機的平均無故障時間（MTBF）為144,258小時，3COM的平均無故障時間（MTBF）為47,006小時。
目前DCS正常工作周期為10年，極限工作年限為15年，以每年平均工作7700小時計算，全周期使用時間為77000小時，由上表可知工業交換機無故障運行時間可有效覆蓋DCS的正常工作周期，商用交換機的MTBF 無法包括DCS的正常工作周期，8組冗余交換機在DCS工作周期內出現故障的概率很大。
600MW機組每次非計劃停機按損失150萬元計算，投資在工業交換機上的費用比在全周期內由于商用交換機可靠性差引起的非計劃停機造成的損失要小。
5.3 交換機切換穩定性對控制系統可用率的影響
工業交換機冗余切換周期小于500ms，商用交換機冗余切換周期為10s，因此商用交換機切換時對于平均掃描周期為200ms的DCS系統而言，成功切換的概率很低，因此在DCS全周期內因交換機故障引起的非計劃停機可能性很大。
5.4 網絡管理在控制系統中的作用
工業交換機具備很強的網絡管理功能，在DCS系統中我們對控制器電源、主控制器和I/O卡件均有監視手段，這點很重要，電源和控制器均為冗余系統，單個故障時如沒有及時發現將是很危險的，因為有監視和報警手段我們可以及時發現并采取措施避免造成損失。而對于交換機和網絡我們還沒有合適的監視手段。工業交換機有相應的網絡管理軟件，可以對網絡和端口提供監視，使我們有了及時發現故障的手段，避免了非計劃停機，提高了DCS可用率。
網絡管理軟件還可以優化網絡配置，合理分配網絡來進一步提高DCS網絡的性能，但我們無法計算出由此可將DCS可用率提高多少。
6 結論
6.1 工業交換機的網絡冗余切換速度和成功率高于商用交換機，使機組因通訊故障非計劃停機的風險降低。
6.2 工業交換機抗電磁干擾能力高于商用機，但商用交換機若接地和屏蔽處理好，在電磁輻射不強的環境下也不會受電磁干擾影響。
6.3 工業交換機溫度適應性強，但在電子間內工作環境是能滿足所有交換機要求的，商用交換機的工作環境條件與本廠DCS相同，不存在商用交換機因溫度、濕度導致故障而引起機組非正常停機的可能。
6.4 工業交換機的安裝可減少布線，降低了因網線破損導致通訊故障的可能性。
6.5 工業交換機在穩定性較商用交換機有較大優勢，這對于追求長周期運行的發電廠來說是很重要的。
6.6 若選擇使用工業級交換機應考慮選購其配套的網絡管理軟件，工業交換機應選購帶有網管功能的，這樣系統具備網絡管理能力，可為DCS網絡提供全面的負載和故障分析監視網絡負荷率，隨時查詢網絡設備的狀態，具有故障陷阱處理功能，這點為DCS網絡透明化管理提供可能，將會大大提高網絡安全性。
6.7 工業交換機端口數和數據通訊量不如商用交換機，但不論是選用商用交換機還是工業交換機建議不要采用交換機級聯的方式來擴展端口，這樣增大了故障風險，若要增加端口商用交換機應采用堆疊的方式，工業交換機應采用背板擴容的方式。
6.8 工業交換機投資比商用交換機大許多，以錦界電廠為例2×600MW機組含公用系統共90個網絡接口點，構成冗余通訊系統，工業交換機的投資將是商業交換機的4倍以上。
6.9 空冷系統現場控制站受變頻器、變壓器等因素的干擾且距離較遠，與主控室電子間應采用光纖連接，若采用工業交換機因其機架式的特點，建議交換機采用控制柜內安裝以減少布線降低電磁干擾，同時做好接地；若采用商用交換機，應單獨設立交換機機柜，并在布線時對網線安裝金屬套管屏蔽，同時做好接地。
6.10 網絡結構可為實現冗余快速切換做適當調整,系統總段上為光纖環網，連接距離遠的系統如空冷系統，分段為星形子網的網絡結構，如主控電子間和空冷電子間，使網絡風險分散，空冷系統采用光纖接入環網，其下掛控制站星形接入空冷核心交換機，某個控制站故障自動切換到另一臺空冷核心交換機同時不會導致其它空冷控制站切換，網絡具備端口速率限制、端口安全、IGMP Snooping等高端功能。在極端惡劣情況下兩根光纖同時斷裂，系統自動變為總線型網絡不會導致通訊中斷。
6.11 錦界電廠目前分為三個域：#1單元機組、#2單元機組、公用系統。#1機組和#2機組之間靠公用系統連接，公用系統與單元機組之間連接介質為光纖，實現了光電耦合對于系統間隔離有一定好處，但由于物理介質沒有完全隔斷，仍然存在著機組之間互相通訊的風險，因此須使用MAC地址屏蔽、控制權限設定等功能，在工業級的網絡管理中均提供有這些功能。
6.12 冗余DELL PE2800塔式服務器在性能上可以滿足對服務器的要求，正常運行時客戶機從主服務器得到數據，當主服務器出現故障時客戶機自動地更換以太網地址，與冗余的服務器連接，DCS廠家應給出服務器切換的時間，建議內存增加到2G以提高系統性能。
6.13 目前錦界電廠DCS的網絡結構和交換機配置能滿足數據可靠、高效通訊的要求，若要進一步提高DCS系統性能和穩定性，提高網絡的效率和可靠性，應采用工業交換機和相應的網絡管理軟件。
其他作者：梅德奇（1973―），男，工程師，陜西國華錦界能源責任有限公司設備維護部主任工程師，從事600MW機組DCS系統的研究和管理工作。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號