專利名稱：一種大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以工業(yè)控制以太網(wǎng)構(gòu)建大規(guī)模自動化實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，尤其涉及一種大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中的過程數(shù)據(jù)網(wǎng)大都采用以太網(wǎng)，而對于可靠性要求較高的過程控制網(wǎng)一般采用其他總線技術(shù)。而如今，以太網(wǎng)技術(shù)憑借著成本低、速度快、開放性和兼容性好等優(yōu)勢越來越多的被應(yīng)用于過程控制網(wǎng)。
而在以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的過程中，其劣勢也漸漸顯示出來，其中最主要的劣勢就是當(dāng)過程控制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷變大，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷也相應(yīng)增加，傳送數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性受到嚴(yán)重影響，并造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豢煽俊?br> 目前常見的系統(tǒng)中，過程控制網(wǎng)如圖1所示，一般都是將操作站和控制站接在同一網(wǎng)絡(luò)中，通過廣播或點(diǎn)播查詢的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，相應(yīng)的工程師站和數(shù)據(jù)服務(wù)器也都連接在上述的同一網(wǎng)絡(luò)中，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的最主要問題在于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，不可能有過多控制節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，這樣就限制了控制規(guī)模。
而對于大規(guī)模的控制系統(tǒng)，目前的做法是將整個(gè)控制系統(tǒng)化整為零，分解為多個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)相互獨(dú)立，各個(gè)子系統(tǒng)分別控制，各子系統(tǒng)再通過過程數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行交互，如圖2中所示，操作站、工程師站、服務(wù)器以及被所述操作站直接監(jiān)控的控制站連接在同一過程控制網(wǎng)中構(gòu)成一個(gè)子系統(tǒng)，多個(gè)子系統(tǒng)之間再通過過程數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行交互。這樣的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的控制，但是問題在于各子系統(tǒng)控制站間的通訊需要先通過各自子系統(tǒng)的服務(wù)器，再通過所述過程數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行連接。這樣一是時(shí)效性受到很大影響，二是數(shù)據(jù)可靠性也受到影響。另一個(gè)問題在于各子系統(tǒng)的操作站只能控制所在子系統(tǒng)內(nèi)的控制站，而對其他子系統(tǒng)控制站的監(jiān)控需要通過過程數(shù)據(jù)網(wǎng)再由該控制站所在子系統(tǒng)的服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)。這樣同樣既影響時(shí)效性也影響可靠性。這種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架雖然將較多節(jié)點(diǎn)連入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，但是由于各部分的相互獨(dú)立，其實(shí)就是第一種方案的簡單擴(kuò)大，未實(shí)現(xiàn)真正意義的大規(guī)?？刂?。
對于大規(guī)模控制系統(tǒng)，目前還有一種采用網(wǎng)關(guān)的連接方式，如圖3中所示，同樣將控制網(wǎng)絡(luò)劃分成幾個(gè)子系統(tǒng)，操作站、工程師站、服務(wù)器以及被所述操作站直接監(jiān)控的控制站連接在同一過程控制網(wǎng)中構(gòu)成一個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)采用不同的IP段，各子系統(tǒng)間的通訊采用網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)。這種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架主要問題在于由于受網(wǎng)關(guān)的影響，各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流量受到很大限制，不可能進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的傳輸，對系統(tǒng)控制的時(shí)效性影響很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種能夠解決大規(guī)模控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、可靠性、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、控制權(quán)限管理等問題的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，包括多播裝置用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)過程控制網(wǎng)間的互連，能夠根據(jù)多播管理協(xié)議實(shí)現(xiàn)對多播數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和過濾，從而實(shí)現(xiàn)不同域間多播數(shù)據(jù)的交互；過程控制網(wǎng)用于傳輸所有控制數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；控制站用于直接與現(xiàn)場打交道的I/O處理單元，完成整個(gè)工業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能；操作站用于監(jiān)控所述控制站，完成過程監(jiān)控管理任務(wù)的人機(jī)系統(tǒng)環(huán)境；至少一個(gè)所述控制站通過一個(gè)過程控制網(wǎng)劃分在同一組，與相連的過程控制網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)控制域，至少一個(gè)操作站與另一個(gè)與所述操作站相連的過程控制網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)控制域；所述多個(gè)控制域中的控制站和多個(gè)操作域中的操作站分別通過各自的過程控制網(wǎng)與所述多播裝置相連。
還可包括過程數(shù)據(jù)網(wǎng)，用于傳輸管理型數(shù)據(jù)，所述各操作域可通過所述過程數(shù)據(jù)網(wǎng)與遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)相連。
所述遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)可包括用于備份過程數(shù)據(jù)的服務(wù)器和用于實(shí)時(shí)顯示和上報(bào)過程數(shù)據(jù)的應(yīng)用站。
所述操作域還可包括維護(hù)站，所述維護(hù)站用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)，并通過過程控制網(wǎng)與所述操作站互聯(lián)。
所述操作域還可包括服務(wù)器，所述服務(wù)器用于存放包括歷史記錄、故障記錄、操作記錄在內(nèi)的過程控制數(shù)據(jù)，并通過所述過程數(shù)據(jù)網(wǎng)與所述操作站互聯(lián)。
所述各控制域和操作域可劃分在同一子網(wǎng)內(nèi)，以不同的IP段區(qū)分。
所述系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)間的連接和數(shù)據(jù)發(fā)送、接收可采用雙網(wǎng)冗余的方式。
所述系統(tǒng)中控制節(jié)點(diǎn)可采用兩個(gè)控制站冗余配置，兩個(gè)控制站IP地址相鄰。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)根據(jù)控制系統(tǒng)中的控制工藝或根據(jù)控制范圍，劃分為操作域和控制域，各個(gè)域在過程控制網(wǎng)層通過多播交換機(jī)進(jìn)行互連，構(gòu)成統(tǒng)一的過程控制網(wǎng)，將各個(gè)操作域和控制域隔離開來，各控制域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸不影響其他域的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，當(dāng)其他操作域需要該控制域數(shù)據(jù)時(shí)，又可以通過對操作域進(jìn)行簡單配置來實(shí)現(xiàn)。這樣既靈活方便，又限制了操作域的工作權(quán)限，整體網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷也大大降低了。并且在同一控制域內(nèi)，由于控制站不接收實(shí)時(shí)多播數(shù)據(jù)，因此控制站不受所在控制域內(nèi)其他實(shí)時(shí)多播數(shù)據(jù)的影響，大大降低了控制站的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷。


圖1為現(xiàn)有一般工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為一種現(xiàn)有大規(guī)模工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3為另一種現(xiàn)有大規(guī)模工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明中大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
如圖4中所示，為本發(fā)明中所述大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)控制工藝或根據(jù)控制范圍，人為劃分為三個(gè)操作域和三個(gè)控制域，分別為1#、2#、3#操作域，1#、2#、3#控制域，各個(gè)域相對獨(dú)立，各域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)通過普通交換機(jī)連接，通過域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)域內(nèi)數(shù)據(jù)交互。各個(gè)域之間在過程控制網(wǎng)層通過多播交換機(jī)進(jìn)行互連，構(gòu)成統(tǒng)一的過程控制網(wǎng)，所述過程控制網(wǎng)用于傳輸所有控制數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
所述操作域是將監(jiān)控的范圍和權(quán)限以及工藝技術(shù)相近的操作站劃分在同一操作域，并可同時(shí)監(jiān)控多個(gè)控制域的邏輯分域。所述操作域中包括至少一個(gè)操作站，所述操作站是可由工業(yè)PC機(jī)、CRT、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)等組成的人機(jī)交互系統(tǒng)，是操作人員完成過程監(jiān)控管理任務(wù)的環(huán)境。還可以根據(jù)各自需要配備有維護(hù)站、服務(wù)器，所述維護(hù)站是為專業(yè)工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)的，也可稱為工程師站，內(nèi)裝有相應(yīng)的系統(tǒng)維護(hù)工具，用作對系統(tǒng)進(jìn)行適時(shí)的維護(hù)和更新。所述服務(wù)器用于存放系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各項(xiàng)歷史記錄、故障記錄、操作記錄等。所述操作域內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)，包括所述操作站以及工程師站和服務(wù)器都通過普通交換機(jī)或路由器連接在一個(gè)獨(dú)立的過程控制網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。
所述控制域是根據(jù)現(xiàn)場控制工藝將多個(gè)控制站劃分在同一組的物理分域，各控制站之間也通過普通交換機(jī)或路由器連接在一個(gè)獨(dú)立的過程控制網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。各控制站是控制系統(tǒng)核心組件，是系統(tǒng)中直接與現(xiàn)場打交道的I/O處理單元，可以是直接的模擬或數(shù)字的輸入輸出采集模塊，也可以是通過各種不同協(xié)議的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，與其他異構(gòu)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的互聯(lián)，從而完成整個(gè)工業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。
所述多播交換機(jī)分別與上述各控制域和操作域中的各個(gè)獨(dú)立的過程控制網(wǎng)互連，能夠根據(jù)多播管理協(xié)議(IGMP)實(shí)現(xiàn)對多播數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和過濾，從而實(shí)現(xiàn)不同域間多播數(shù)據(jù)的交互。所述多播交換機(jī)也可采用其他能夠支持多播管理協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備實(shí)現(xiàn)，如路由器等。由于幾乎所有支持多播功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都會同時(shí)支持IGMP加入和IGMP查詢相應(yīng)功能，各工程師站、操作站和控制站都應(yīng)具備兩套IGMP發(fā)送機(jī)制，一是定時(shí)向所述多播交換設(shè)備發(fā)送IGMP加入數(shù)據(jù)包，二是回應(yīng)多播交換設(shè)備發(fā)來的IGMP多播查詢數(shù)據(jù)包，一般IGMP多播查詢可設(shè)定為每60秒一次，用于定時(shí)刷新組態(tài)成員列表；并且通過多播組成員的主動加入或退出，也可以及時(shí)刷新所述組態(tài)成員列表，從而在隨時(shí)靈活調(diào)整多播組組態(tài)成員的同時(shí)保證多播傳輸?shù)目煽啃浴?br> 各個(gè)操作域在上層通過過程數(shù)據(jù)網(wǎng)相互連接，所述過程數(shù)據(jù)網(wǎng)用于將組態(tài)服務(wù)器、應(yīng)用站、值長站和其他遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)等與現(xiàn)場各個(gè)操作域中的操作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器相連，傳輸非控制性數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)不直接參與控制，而是用于后臺的管理，即管理型數(shù)據(jù)，如組態(tài)數(shù)據(jù)、歷史記錄、操作記錄、故障記錄等的拷貝數(shù)據(jù)，通過所述過程數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端后實(shí)現(xiàn)組態(tài)拷貝、故障報(bào)警記錄拷貝備份、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)顯示等。所述各遠(yuǎn)端控制節(jié)點(diǎn)與所述操作域之間的管理型數(shù)據(jù)、以及各個(gè)操作域之間的數(shù)據(jù)交互，不再通過過程控制網(wǎng)傳輸，而是通過所述過程數(shù)據(jù)網(wǎng)完成，使控制型數(shù)據(jù)和管理型數(shù)據(jù)分離，過程控制網(wǎng)中僅傳輸控制型數(shù)據(jù)，而過程數(shù)據(jù)網(wǎng)中僅傳輸管理型數(shù)據(jù)，這樣管理型數(shù)據(jù)在過程控制網(wǎng)域內(nèi)或域間數(shù)據(jù)通道內(nèi)的數(shù)據(jù)量相對減少，既降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、降低故障率，又減少了過程控制網(wǎng)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。
下面結(jié)合圖4對本發(fā)明中大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制過程加以詳細(xì)描述。
首先，通過對有多播功能的交換機(jī)進(jìn)行支持多播傳輸功能和IGMP協(xié)議功能的配置，可以實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的多播管理功能；以1#操作域?qū)?#、2#控制域的控制為例，1#操作域工程師站和操作站組態(tài)配置監(jiān)控1#、2#控制域數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)卡驅(qū)動發(fā)送兩包加入所述1#、2#控制域?qū)崟r(shí)多播數(shù)據(jù)所在多播組的IGMP數(shù)據(jù)包，具體為，1#操作域內(nèi)的操作站和工程師站中，根據(jù)組態(tài)判斷PC機(jī)網(wǎng)卡需要接收哪些多播組數(shù)據(jù)，調(diào)用底層網(wǎng)卡驅(qū)動，接收相對應(yīng)的多播數(shù)據(jù)，并在接收進(jìn)程啟動時(shí)發(fā)送一次IGMP管理數(shù)據(jù)包，加入多播組，同樣的，當(dāng)所述1#、2#控制域中的控制站上電時(shí)也向所述多播交換機(jī)發(fā)出IGMP數(shù)據(jù)包，多播交換機(jī)只要收到一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的IGMP數(shù)據(jù)就會將對應(yīng)的多播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到該節(jié)點(diǎn)所在的端口，而隨后只需回應(yīng)多播交換機(jī)發(fā)出的多播查詢數(shù)據(jù)，對多播路由表進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新。其中，所述IGMP數(shù)據(jù)包內(nèi)容包括版本、IGMP類型(查詢、回應(yīng)、主動加入等)、需要加入的多播地址。
多播交換機(jī)根據(jù)上述IGMP數(shù)據(jù)的配置，通知多播交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)多播轉(zhuǎn)發(fā)，將1#操作域需要的1#、2#控制域多播實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過所述多播交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到1#操作域所在網(wǎng)絡(luò)端口，再由1#操作域內(nèi)的操作站或工程師站接收，從而實(shí)現(xiàn)了1#操作域?qū)?#、2#控制域數(shù)據(jù)的監(jiān)控。
另外，考慮到現(xiàn)場多播交換機(jī)可能被臨時(shí)更換，如果只是上電發(fā)一次IGMP數(shù)據(jù)包，在交換機(jī)更換后交換機(jī)的多播路由表不能及時(shí)被刷新，因此可以采用定時(shí)發(fā)送的方式，即所述各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定時(shí)向所述多播交換機(jī)發(fā)送IGMP數(shù)據(jù)包，刷新所述多播路由表，但所述定時(shí)發(fā)送周期沒有嚴(yán)格的要求，一般可為3～5s；此外，考慮到很難判斷多播交換機(jī)某端口下的網(wǎng)段內(nèi)有多少個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此可以采用所有節(jié)點(diǎn)都響應(yīng)查詢的方式。
這樣，各操作域?qū)刂朴虻谋O(jiān)控可以獨(dú)立控制，不受其它域影響，同時(shí)多播交換機(jī)根據(jù)所述多播管理數(shù)據(jù)的上述配制，將1#操作域中的操作站對所述1#、2#控制域?qū)嵤┍O(jiān)控的多播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到所述1#、2#控制域的各個(gè)控制站中，再由各控制站將返回的數(shù)據(jù)通過所述多播交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到1#操作域中，完成一次監(jiān)控過程。通過對操作域多播數(shù)據(jù)及IGMP數(shù)據(jù)包的控制，同時(shí)監(jiān)控所需的一個(gè)或多個(gè)控制域的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了操作域?qū)Σ煌刂朴蚪M合進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控的功能，在數(shù)據(jù)通訊過程中主要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和站間交互等數(shù)據(jù)通過多播的方式進(jìn)行，能夠確保各域只接收自己需要的數(shù)據(jù)，在保證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)耐瑫r(shí)，對多個(gè)域的控制不必通過廣播的方式發(fā)送到各節(jié)點(diǎn)，而是有目的性的直接發(fā)送，因此減小了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)、網(wǎng)絡(luò)間的負(fù)荷和節(jié)點(diǎn)負(fù)荷。
當(dāng)其他域需要該域數(shù)據(jù)時(shí)，又可以通過對操作域進(jìn)行簡單配置來實(shí)現(xiàn)，其他操作域監(jiān)控原理相同，例如2#操作域需要監(jiān)控2#、3#控制域數(shù)據(jù)，發(fā)送2包加入所述2#、3#控制域多播地址的IGMP數(shù)據(jù)包，通知多播交換機(jī)其所在端口加入2#、3#控制域所在多播組，多播交換機(jī)將2#、3#控制域的多播實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給2#操作域。同理，如果3#操作域分別向1#、2#、3#控制域發(fā)送3包IGMP數(shù)據(jù)包，通知多播交換機(jī)接收全部三個(gè)控制域的實(shí)時(shí)多播數(shù)據(jù)，所述多播交換機(jī)就會將1#、2#、3#控制域的所有多播實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)發(fā)給3#操作域，從而實(shí)現(xiàn)3#操作域?qū)φ麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)控制站數(shù)據(jù)的監(jiān)控。
通過對各域的多播設(shè)置和管理也能夠限制各域操作站的操作權(quán)限，例如所述1#操作域在組態(tài)時(shí)配置所述1#、2#控制域，使1#操作域的數(shù)據(jù)只能夠被1#、2#控制域接收，而不會對其他的控制站發(fā)生作用，因此明確了各操作域監(jiān)控范圍和控制權(quán)限的管理。引入多播技術(shù)以及多播交換機(jī)的隔離，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的有效利用。而且，由于各個(gè)域的相對獨(dú)立，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上某個(gè)域節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，不會波及到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)故障的有效隔離。
進(jìn)一步的，當(dāng)需要進(jìn)行控制站之間的通訊時(shí)，所有控制站向所述多播交換機(jī)發(fā)送同一IGMP多播管理數(shù)據(jù)，加入到同一多播組中，當(dāng)控制站要進(jìn)行控制站間通訊時(shí)，例如，1#控制域中的某一控制站中采集的數(shù)據(jù)需要與其他控制站共享，則通過多播的方式從1#控制域向1#、2#、3#控制域發(fā)送控制站間通訊數(shù)據(jù)，可以確保系統(tǒng)中的所有與多播交換機(jī)相連的控制站都可以收到此通訊數(shù)據(jù)，各控制站再分別進(jìn)行內(nèi)部處理，并且能保證除了控制站外的其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不會收到該數(shù)據(jù)。
本發(fā)明系統(tǒng)基于OSI模型分層的進(jìn)一步說明如下物理層通過普通網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在域內(nèi)的連接以及支持多播的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在域間的連接，為大規(guī)模統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)控制搭建了硬件平臺。所述網(wǎng)絡(luò)是基于以太網(wǎng)和IEEE802.3/802.3u封裝的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，主要采用100Base-TX/FX全雙工工作方式，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均采用交換式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括路由器和交換機(jī)等。
數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)采用以太網(wǎng)接口芯片或網(wǎng)卡，由于有些CPU中會集成以太網(wǎng)接口功能，這樣雖然在通訊上同樣可以實(shí)現(xiàn)，但不適合工業(yè)過程控制以太網(wǎng)這樣的網(wǎng)絡(luò)，而工業(yè)以太網(wǎng)中，尤其針對控制站而言，則要求以太網(wǎng)接口可靠性高、抗干擾能力高，這里則應(yīng)采用在硬件設(shè)計(jì)上，通過隔離的方式接入CPU的以太網(wǎng)接口芯片，這樣其可靠性和抗干擾能力會有很大的提高。實(shí)現(xiàn)底層驅(qū)動，完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送、接收，以及對以太網(wǎng)接口芯片進(jìn)行中斷處理、故障處理、初始化處理等等工作。無論是工程師站、操作站、控制站還是交換機(jī)，都需維護(hù)路由表，通過ARP數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)路由表的維護(hù)和更新。為確保路由表的正確和及時(shí)刷新，工程師站、操作站和控制站具備兩套ARP發(fā)送機(jī)制，一是由過程控制網(wǎng)內(nèi)所有的各個(gè)終端，向整個(gè)過程控制網(wǎng)內(nèi)的所有終端廣播發(fā)送ARP數(shù)據(jù)包，例如工程師站、操作站和控制站定時(shí)廣播發(fā)送查詢自身地址的ARP數(shù)據(jù)包，用于更新各節(jié)點(diǎn)路由表以及判斷是否有重復(fù)節(jié)點(diǎn)，二是工程師站、操作站和控制站回應(yīng)上述廣播或點(diǎn)播的ARP查詢數(shù)據(jù)包。其中，數(shù)據(jù)的傳輸采用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC校驗(yàn))，例如發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，網(wǎng)絡(luò)芯片會自動在數(shù)據(jù)包后添加4個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)，由于ARP的傳輸都是端到端的(即一到一或一到多)，交換機(jī)只轉(zhuǎn)發(fā)接收的數(shù)據(jù)包，而不做處理，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)接收端后，再由接收端對所述CRC校驗(yàn)進(jìn)行判斷，從而解決以太網(wǎng)通訊線路上因干擾引起錯(cuò)包的檢驗(yàn)問題。
網(wǎng)絡(luò)層采用IP、ICMP、IGMP協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)中，不同的域通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置，將各個(gè)域分別劃分在同一子網(wǎng)內(nèi)，但是需要分成不同的IP段。網(wǎng)絡(luò)傳輸通過所述多播交換機(jī)的不同設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對IP地址的廣播、多播、點(diǎn)播混用的方式。由于在物理層網(wǎng)絡(luò)連接的保證，網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)播數(shù)據(jù)傳輸可以得到保證；并且由于各節(jié)點(diǎn)在同一子網(wǎng)內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)可以被所有節(jié)點(diǎn)接收。
傳輸層由于采用了IP地址多播的方式，傳輸層采用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。UDP協(xié)議的優(yōu)勢在于傳輸速度快、時(shí)效性好，適合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。
為保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃裕鲞^程控制網(wǎng)上各節(jié)點(diǎn)采用雙網(wǎng)冗余的方式進(jìn)行連接，相應(yīng)過程控制網(wǎng)上各交換機(jī)也采用雙網(wǎng)冗余的配置。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)采用一包數(shù)據(jù)雙網(wǎng)同時(shí)發(fā)送的方式；數(shù)據(jù)接收時(shí)，節(jié)點(diǎn)接收兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，取其中一包進(jìn)行處理。雙網(wǎng)的連接及發(fā)送接收方式，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴．?dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)斷線、網(wǎng)絡(luò)堵塞等問題時(shí)，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍然可以正常傳輸，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞场?br> 對于過程控制網(wǎng)上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如控制站等，采用冗余配置的方式，即一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)采用兩個(gè)控制站冗余配置，冗余的兩個(gè)控制站看做兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端，兩個(gè)控制站IP地址相鄰(圖中未做標(biāo)示)。在IGMP多播管理上，冗余的兩個(gè)控制站都定時(shí)發(fā)送IGMP加入數(shù)據(jù)包，也都響應(yīng)IGMP查詢包，正常工作時(shí)，其中一個(gè)控制站為工作狀態(tài)，進(jìn)行正常的控制及接收發(fā)送；另一個(gè)控制站處于備用狀態(tài)，不參與控制，也不發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，只是將工作站的數(shù)據(jù)及時(shí)拷貝過來備分。當(dāng)原工作控制站出現(xiàn)問題時(shí)，比如網(wǎng)絡(luò)問題，原備用控制站就變?yōu)楣ぷ骺刂普?，而原工作控制站變?yōu)閭溆每刂普?。如此?dāng)其中一個(gè)控制站出現(xiàn)問題時(shí)，可以及時(shí)切換至另一備用控制站，確保了過程控制的可靠以及網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊?br> 對于點(diǎn)播查詢類數(shù)據(jù)，各域由于通過多播交換機(jī)連接，且整個(gè)過程控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)IP在同一子網(wǎng)內(nèi)，域間的點(diǎn)播數(shù)據(jù)只要根據(jù)IGMP多播管理數(shù)據(jù)的配置，再通過多播交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，無須網(wǎng)關(guān)處理即可實(shí)現(xiàn)?？刂普鹃g通訊不需要再通過過程數(shù)據(jù)網(wǎng)，實(shí)效性和安全性大大加強(qiáng)。
同時(shí)，在節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接的創(chuàng)建中，需要通過ICMP協(xié)議的PING包確認(rèn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否存在，當(dāng)發(fā)起端遇到數(shù)據(jù)無法訪問目標(biāo)、交換機(jī)無法按當(dāng)前的傳輸速率轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包等情況時(shí)，會通過自動發(fā)送ICMP消息進(jìn)行PING查詢，再由目的端發(fā)送ICMP回應(yīng)請求消息并記錄到ICMP回應(yīng)回復(fù)消息，通知對方自己的存在，通過這些消息來對系統(tǒng)或各域的故障提供參考依據(jù)。
此外，由于以太網(wǎng)本身的特性，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可能出現(xiàn)發(fā)送不成功的問題，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷越重，該問題越明顯，因此，可以在上述系統(tǒng)中引入沖突重發(fā)機(jī)制，能夠很大程度的避免該問題。當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)芯片檢測網(wǎng)絡(luò)是否有數(shù)據(jù)在發(fā)送、以太網(wǎng)芯片發(fā)送緩沖區(qū)是否有空間、網(wǎng)絡(luò)連接是否正常等諸多情況，判斷不具備發(fā)送條件時(shí)，則退出等下次再發(fā)送該數(shù)據(jù)。連續(xù)多次發(fā)送該數(shù)據(jù)都失敗時(shí)，認(rèn)為該數(shù)據(jù)已失效，丟棄，接著發(fā)送下一數(shù)據(jù)。該機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是可以避免網(wǎng)絡(luò)沖突導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包丟失，也可確保發(fā)送不會被某包數(shù)據(jù)堵塞，導(dǎo)致其他后續(xù)數(shù)據(jù)無法正常發(fā)送。
根據(jù)不同控制場合的需要，通過對給所述多播交換機(jī)發(fā)送不同的多播管理數(shù)據(jù)，可以隨時(shí)靈活調(diào)整多播組組態(tài)成員，從而實(shí)現(xiàn)不同的多播組組合、和對不同控制域的靈活控制。
以上所述的本發(fā)明實(shí)施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于包括多播裝置用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)過程控制網(wǎng)間的互連，能夠根據(jù)多播管理協(xié)議實(shí)現(xiàn)對多播數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和過濾，從而實(shí)現(xiàn)不同域間多播數(shù)據(jù)的交互；過程控制網(wǎng)用于傳輸所有控制數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；控制站用于直接與現(xiàn)場打交道的I/O處理單元，完成整個(gè)工業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能；操作站用于監(jiān)控所述控制站，完成過程監(jiān)控管理任務(wù)的人機(jī)系統(tǒng)環(huán)境；至少一個(gè)所述控制站通過一個(gè)過程控制網(wǎng)劃分在同一組，與相連的過程控制網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)控制域，至少一個(gè)操作站與另一個(gè)與所述操作站相連的過程控制網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)控制域；所述多個(gè)控制域中的控制站和多個(gè)操作域中的操作站分別通過各自的過程控制網(wǎng)與所述多播裝置相連。
2.如權(quán)利要求1所述的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于還包括過程數(shù)據(jù)網(wǎng)，用于傳輸管理型數(shù)據(jù)，所述各操作域可通過所述過程數(shù)據(jù)網(wǎng)與遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)相連。
3.如權(quán)利要求1或2所述的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于所述遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)包括用于備份過程數(shù)據(jù)的服務(wù)器和用于實(shí)時(shí)顯示和上報(bào)過程數(shù)據(jù)的應(yīng)用站。
4.如權(quán)利要求1或2所述的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于所述操作域還包括維護(hù)站，所述維護(hù)站用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)，并通過過程控制網(wǎng)與所述操作站互聯(lián)。
5.如權(quán)利要求1或2所述的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于所述操作域還包括服務(wù)器，所述服務(wù)器用于存放包括歷史記錄、故障記錄、操作記錄在內(nèi)的過程控制數(shù)據(jù)，并通過所述過程數(shù)據(jù)網(wǎng)與所述操作站互聯(lián)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于所述各控制域和操作域劃分在同一子網(wǎng)內(nèi)，以不同的IP段區(qū)分。
7.如權(quán)利要求1或2所述的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)間的連接和數(shù)據(jù)發(fā)送、接收采用雙網(wǎng)冗余的方式。
8.如權(quán)利要求1或2所述的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)中控制節(jié)點(diǎn)采用兩個(gè)控制站冗余配置，兩個(gè)控制站IP地址相鄰。
全文摘要
本發(fā)明涉及以工業(yè)控制以太網(wǎng)構(gòu)建大規(guī)模自動化實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，尤其涉及一種大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。本發(fā)明是根據(jù)控制系統(tǒng)中的控制工藝或根據(jù)控制范圍，將過程控制網(wǎng)劃分為多個(gè)操作域和控制域，各個(gè)域在過程控制網(wǎng)層通過多播交換機(jī)進(jìn)行互連，構(gòu)成統(tǒng)一的過程控制網(wǎng)，將各個(gè)操作域和控制域隔離開來，各控制域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸不影響其他域的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，當(dāng)其他域需要該域數(shù)據(jù)時(shí)，又可以通過對操作域進(jìn)行簡單配置來實(shí)現(xiàn)。這樣既靈活方便，又限制了操作域的工作權(quán)限，整體網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷也大大降低了。并且由于控制站不接收實(shí)時(shí)多播數(shù)據(jù)，因此控制站不受實(shí)時(shí)多播數(shù)據(jù)的影響，大大降低了控制站的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷。
文檔編號H04L29/06GK1960309SQ200610144868
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月23日
發(fā)明者于虎, 譚彰, 陸衛(wèi)軍, 裘坤, 章維 申請人:中控科技集團(tuán)有限公司, 浙江大學(xué)