防城港核电厂非安全级DCS网络结构和设备功能浅议

1系统介绍
防城港核电厂一期项目DCS控制系统安全级采用日本三菱电机公司的MELTAC－Nplus系统，非安全级采用北京广利核工程有限公司的MACS－V6系统，安全级平台与非安全级平台之间通过网关进行通讯。

本文着重对非
安全级DCS网络结构和设备功
能进行介绍。

HOLLIAS MACS分布式控
制系统具有开放化、信息化、智
能化和高可靠性等特点，它充分
体现了DCS系统的分散控制、
集中操作、分级管理、配置灵活
和组态方便的特点。

它采用工业
以太网为核心技术，开发确定性
实时技术，确保了通信的实时
性，增强了确定性和提高了网络
的安全性；采用Profibus－DP现
场总线技术，能够真正做到“危
险分散、控制分散、集中控制”。

HOLLIAS MACS分布式控
制系统从网络结构角度由上到
下可划分为：监控网络（MNET）、系统网络（SNET）和控制网络（CNET）三个层次。

管理网络实现工程师站、操作员站、计算站与系统服务器的互连，系统网络实现现场控制站与系统服务器的互连，控制网络实现现场控制站与过程IO单元的通讯。

网络结构如图1所示。

2MACS系统的网络特性
2.1监控网络（MNET）
监控网络（MNET）由1000M高速冗余工业以太网络（TCP／IP）构成，用于系统各操作员站之间，操作员站与IO服务器、历史服务器、计算服务器等之间，IO服务器与实时服务器、历史服务器、计算服务器等之间的通信网络，采用FLRPC协议构建系统的局域网。

该层主要包括操作员站、工程师站、维修站、IO服
务器、历史服务器等，通过监控网络的连接，操作员站可以及时获取服务器进程的实时数据，包括报警、趋势和日志等，把人机交互控制指令等信息传递给服务器，实现信息的相互传递。

监控网络拓扑结构如图2所示。

2.2系统网络（SNET）
防城港核电站一期项目非安全级DCS控制HOLLIAS－N系统网络采用1000M高速冗余确定性实时以太网DRTE （Deterministic Real－Time Ethernet）技术，避免了冲突和随机撤回的以太网CSMA／CD方案，通过软件重新组建的以太网实现确定性实时通信。

包括IO服务器、现场控制站，均为双冗余的结构，可以完成数据的管理存储和数据处理，并自动诊断和切换，保障系统的可靠性。

服务器通过冗余分别与监控网的计算机和控制网的控制器连接。

与操作员站实现数据互连和诊断，接收控制器中的采集和运算数据，并发送监控层的控制指令给控制器。

完成现场控制站、通信控制站的数据下载，服务器与现场控制站、通信控制站之间的实时数据通讯。

系统网络拓扑结构如图3所示。

2.2.1以太网特点
Ethernet的主要特点是采用介质访问控制方法CSMA／CD （Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波监听多路访问／冲突检测），是一种非确定性和随机性通信方法。

其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网络；如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送。

16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。

在网络负荷较高时，Ethernet上存在这种碰撞成了主要问题，
防城港核电厂非安全级DCS网络结构和设备功能浅议
邹志励1郭东玲2
（1.大亚湾核电运营管理有限公司防城港分公司，广东深圳518124；2.广西桂能科技发展有限公司，广西南宁530007）摘要：详细介绍了防城港核电厂一期非安全级DCS三层网络结构和功能。

项目中HOLLIAS采用工业以太网和Profibus协议，组建监控网络（MNET）、系统网络（SNET）和控制网络（CNET），其中系统网络采用自主知识产权的确定性实时以太网技术，避免了冲突和随机撤回的以太网CSMA／CD方案，通过软件重新组建的以太网，实现确定性实时通信，满足核电厂非安全级DCS对数据通信确定性和实时性的要求。

关键词：Deterministic Real－Time Ethernet（DRTE）；非安全级DCS；Profibus；网络
装备应用与研究◆
Zhuangbeiyingyong yu Yanjiu
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机电信息2012年第3期总第321期因此它极大影响了Ethernet 的数据吞吐量和传输延时，并导致Ethernet 实际性能的下降。

由于在一系列碰撞后，报文可能会丢失，因此节点与节点之间的通信将无法得到保障。

Ethernet 的这种CSMA ／CD 介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应的“不确定性”。

而对于工业控制现场控制网络，Ethernet 的这种通信“不确定性”会导致通信延迟的“不确定性”，并导致系统控制性能下降，控制效果不稳定，甚至会引起系统振荡；在有紧急事件信息需要发送时，还会因报警信息不能及时得到响应，而导致灾难事件的发生，并成了它应用于工业控制网络的主要障碍。

2.2.2确定性实时工业以太网特点
防城港核电厂一期项目非安全级DCS 控制HOLLIAS －N 系统网络采用具有自主知识产权、1000M 高速冗余确定性实时以太网DRTE 技术，很好地解决冲突和随机撤回的数据令牌调度策略，保证了数据通信的确定性和实时性。

一般，工业以太网具有以下的特点：（1）确定性：采用周期循环策略代替自由竞争；（2）实时性：在采样周期内及时传输缓冲采样数据到达目的节点；（3）安全性：能避免产生网络雪崩，进一步影响系统。

HOLLIAS －N 具有自主知识产权的DRTE 拥有上述3方面特点并且增强了网络功能。

DRTE 采用了令牌调度策略，在以太网上实现逻辑上的令牌回路，通过建立传输令牌和保持这个回路来传输确定性数据。

令牌传输的整个过程如图4所示。

网络上各工作站对总线的控制权是由令牌来控制的。

令牌实际上是一个特殊格式的帧，本身并不包含信息，仅控制信道的使用，确保在同一时刻只有一个节点能够独占信道。

当环上节点都空闲时，令牌绕环行进。

节点计算机只有取得令牌后才能发送数据
帧，因此不会发生碰撞。

收到令牌的节点在一段规定时间内拥有网络传输介质的控制访问权，并向网络上发送一帧或多帧信息，当该
站已经完成或占用网络的规定时间到时，它就将令牌传递到下
一逻辑站。

因此，
传输过程就是由交替进行的数据传输阶段和令牌传送阶段组成。

由于令牌传递时间、拥有令牌的节点占用网络控制权的时间是预先规定好的，在网络节点数量一定的情况下，每个网络节点的信息发送的时间是可以预先估计出
来的，因此，就实现了
“确定性”网络。

由于令牌在网环上是按顺序依次传递的，因此对所有入网节点而言，访问权是公平
的。

在一个令牌循环时间，
每一个节点都有机会收到数据。

显然，这种确定性适合通信确定性和响应实时性要求较高的工
业控制系统中应用。

HOLLIAS －N 的SNET 网是在以太网基础上采用数据令牌环
协议，使用物理层、
数据链路层和网络层。

不同层采用不同的传输协议和网络逻辑结构，如表1所示。

2.3控制网络
控制网络（CNET ）采用Profibus －DP 总线，总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。

通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。

用于设备层的数据通讯网络，用来实现过程IO 模块与现场控制站主控单元的通信，完成实时输入、输出数据的传送。

完成与自
动化系统各个IO 模块及智能设备连接通讯，
实时、快速和高效完成过程或现场通讯任务，符合IEC61158国际标准（欧标：
EN50170），网络拓朴结构为总线形式，在总线两端有有源终端匹配器。

Profibus －DP 采用主、从站间轮询的通讯方式，最大通讯速率12Mbps 。

Profibus －DP 总线链路最多可连接126个节点（0～125），适用多种通讯介质（双绞线、光纤以及混合方式），双绞线最大通讯距离1.2km ，单模光纤最大通讯距离10km ，并具有完美的诊断功能，提高系统可维护性。

完成实时输入和输出数据传送服务的专用网络结构。

3
非安全级DCS 主要设备
3.1
服务级设备
服务器级设备主要包括多台冗余的系统服务器，系统服务器
根据不同功能可以划分为NI 服务器、CI 服务器、历史服务器、计算服务器等（图1）。

系统服务器放置在专用的服务器柜中，包括主机、显示器、多
电脑切换器和校时设备等。

系统服务器是采用双冗余设置，完成实时数据库管理和存取、历史数据库管理和存取、文件存取服务、数据处理、系统下载等功能的计算机。

NI 部分服务器覆盖核岛侧，CI
表1
SNET 和MNET 协议参考模型
OSI 层MNET SNET 传输层TCP ／IP
（
UDP ）数据令牌协议网络层数据链接层
CSMA ／CD IEEE802.3CSMA ／CD IEEE802.3物理
IEEE802.3双绞线或光纤传输
IEEE802.3双绞线或光纤传输
Zhuangbeiyingyong yu Yanjiu ◆装备应用与研究
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机械生产水平低下，技术含量不高，很多设备都要从国外进口，这就大大降低了我国某些工业部门的市场竞争力。

因此，我们应该大力提高机械设备的技术含量和机械生产水平，从而加强相关企业在国内外市场上的竞争力，提高经济效益，减少对国外进口设备和技术的依赖性。

（2）提高矿山生产企业的创新能力，从而自主研发新技术、新产品。

要重视专业性强的技术开发，提高设备生产质量，降低成本。

在一些设备的核心技术及特殊配件方面，要舍得投入资金，进行重点研发。

（3）在机械生产、使用过程中注意节能设计和改造，减少资源、能源的浪费。

在机械生产、使用过程中不可避免地会产生资源、能源的浪费，而在资源、能源日益匮乏的今天，这迫使设备生产和使用厂家都必须采取措施节能降耗，以提高经济效益，赢得更广大的市场。

（4）注重使用矿山机械的安全性，保障机械能够安全地投入使用。

在使用矿山机械时要注意机械的使用年限，不能使设备超期服役。

要做好下井的安全措施，并且投入大量资金保障安全监控报警系统的投入使用，以减少在生产中发生安全事故的可能性，保障生产人员和机械运转的安全性。

5结语
近几年来，矿山机械发展得十分快速，它为我国的经济发展带来了很好的经济效益，是我国现代化建设中应当给予相当重视的
关键环节之一。

面对我国矿山机械应用中存在的诸多问题，我国政府提供了有力的政策支持和合理化建议，企业也予以积极响应、落实，这使得矿山机械在应用中存在的问题慢慢得到了解决。

我们坚信，在国家政策的支持下，我国的矿山机械必将迎来更大的发展和应用空间。

［参考文献］
［１］赵树林．综述矿山机械的优化配置及应用［Ｊ］．露天采矿技术，２００８（６）
［２］王荣祥，任效乾．矿山机械装备制造业的调整和振兴规划（一）［Ｊ］．现代矿业，２０１０（１）
［３］王党志，王志国．矿山机械安全化［Ｊ］．现代商贸工业，２００７（８）［４］刘艳琴．浅谈矿山机械的发展［Ｊ］．管理观察，２００８（１２）
［５］卜必明．浅议国内采矿设备发展现状及趋势［Ｊ］．工程建设，２００９（４）
收稿日期：2011－11－04
作者简介：郑建锋（1983—），男，浙江嵊州人，机械助理工程师，研究方向：矿山机械。

装备应用与研究◆Zhuangbeiyingyong yu Yanjiu
部分服务器覆盖常规岛侧。

这些服务器收集和提供实时电厂数据和存储数据在各自的数据库。

当用户需要时它通过实时数据库（RTDB）提供数据。

计算服务器接受来自两列的实时服务器的事件和信息，整理和存储这些数据在本地的存储器，并且提供实时的过程信息到整个机组。

历史服务器收集来自NI／CI部分的服务器信息，并且存储到永久硬盘上，包括操作日志、过程值等信息。

操作员能从VDU进入历史服务器的历史信息存储。

通过监控网络与操作员站、工程师站连接，向整个操作级设备提供各种实时数据（报警、趋势和日志等），响应请求、历史数据存储请求等。

通讯服务器放置在专用的服务器柜中，包括主机、显示器、多电脑切换器、通讯卡件等。

每台各自采用双网卡冗余，其中一台通讯服务器与TSC系统进行数据交换，另外一台通讯服务器与TES系统进行数据交换，与子系统之间的通讯采用光纤介质。

3.2操作级设备
主要包括操作员站、工程师站、维修站、通讯站和网络打印机。

操作员站配有实时监控软件和各种可配置的人机接口设备的计算机。

其主要工作是完成对整个系统生产工程中的数据监视和操作控制，通过使用工业键盘、轨迹球等设备完成诸如图形切换、参数修改、数据显示、趋势显示、报表打印、屏幕拷贝、表格日志查询和数据备份等操作。

工程师站配有系统组态软件的计算机，实现对应用系统进行设备功能组态，包括操作员站组态和控制器组态，并进行在线下载和在线调试，是工程师对实施各种策略和人机交互方式的工作平台。

安装上实时监控软件后，也可担任操作员站功能。

维修站支持维修工具，在维修站的帮助下，用户能监视HOLLIAS－N系统安装组态和现场装置的故障。

3.3网关设备
安全级系统采用三菱的MELTAC系统，非安全级系统采用HOLLIAS系统，安全级与非安全级系统通过网关进行通讯。

非安全级系统网关分为Level1和Level2网关。

Level1非安全级系统网关实现了与三菱MELTAC的安全级系统Level1网关
通讯，该非安全级网关主要负责MELTAC和HOLLIAS系统之间的数据传输，提供非安全级网关双机冗余、系统校时、网络变量、诊断和报警，以及安全级网关进行数据通讯的功能。

Level2网关，通过网关柜连接SFOC与NC平台的监控网（），负责1E级设备操作界面的调用。

4结语
Ethernet技术简单，完全公开，现在已经被大家接受，通过不断改进、提升，实现确定性和实时性的网络，市场占有率越来越大，而成本却越来越低，可用于自动化所有的控制领域。

Ethernet 真正普遍应用于工业现场还需解决信息的优先级区分；网络可用性和可靠性，实现故障自愈；网络安全性，TCP／IP协议可能会受到病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁等问题。

［参考文献］
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［３］ＩＥＥＥ８０２．５—１９９８，Ｐａｒｔ５：ＴｏｋｅｎｒｉｎｇａｃｃｅｓｓｍｅｔｈｏｄａｎｄＰｈｙｓ－ｉｃａｌＬａｙｅｒｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ
［４］ＰＹＸ５６０００００１Ｗ００Ｂ４４ＧＮＮｅｔｗｏｒｋＳｙｓｔｅｍＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ（Ｎｏｎ－Ｓ．），Ｒｅｖ．Ａ
［５］ＰＹＸ５７１３０００Ｗ００Ａ４５ＧＮＳａｆｅｔｙＤＣＳＳｙｓｔｅｍＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ，Ｒｅｖ．Ａ
收稿日期：2011－11－02
作者简介：邹志励（1979—），男，吉林长春人，工程师，长期从事DCS和网络维修的研究工作。

郭东玲（1976—），女，吉林四平人，工程师，长期从事自动控制和仪表研究工作。

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