大型控制系統(tǒng)網(wǎng)絡架構分析與設計

張 偉

(新疆喀拉通克礦業(yè)有限責任公司富蘊836107)

大型控制系統(tǒng)網(wǎng)絡架構分析與設計

張 偉

(新疆喀拉通克礦業(yè)有限責任公司富蘊836107)

對國內(nèi)主流在用的國產(chǎn)和進口控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構作了簡要介紹，針對使用中出現(xiàn)的問題作了簡要分析，提出了在新項目設計時要注重網(wǎng)絡架構的一些建議。

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡架構分析

1 前言

隨著企業(yè)自動化水平的不斷提升，企業(yè)對自動化要求也越來越高，而現(xiàn)在國內(nèi)在用的主流國產(chǎn)和進口大型控制系統(tǒng)有很多，系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，其中主要的控制系統(tǒng)廠家有ABB、AB、西門子、橫河、浙大中控、和利時等。這些廠家的控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構各不相同，但是也有許多共同點。下面對上述的主流大型控制系統(tǒng)網(wǎng)絡構架逐一加以分析。

2 在用控制系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

2.1ABB公司控制系統(tǒng)

ABB公司的控制系統(tǒng)有兩種。一種是使用較為普遍AC460控制系統(tǒng)，它是由冗余環(huán)控制網(wǎng)連接控制器和工作站、冗余AF100總線連接控制器和IO站及以太網(wǎng)連接工作站及遠程操作終端組成，支持MODBUS通訊。另一種是我公司冶煉生產(chǎn)過程中使用的AC800F控制系統(tǒng)，它是由冗余DP總線連接控制器和IO站、以太網(wǎng)連接操作員站，支持DP總線、MODBUS、FF總線通訊。

2.2AB公司控制系統(tǒng)

AB公司的控制系統(tǒng)有SLC500、Logix5000。SLC500主要采用DH+網(wǎng)絡或以太網(wǎng)與（冗余）Control網(wǎng)或計算機連接，Logix5000主要采用（冗余）Control網(wǎng)或以太網(wǎng)與計算機連接。他們都支持ControlNet、DeviceNet、DP、MODBUS等總線通訊。

2.3 西門子公司控制系統(tǒng)

西門子公司的控制系統(tǒng)有S7200、S7300、S7 400。此部分控制系統(tǒng)在我公司冶煉廠制氧、制酸和余熱鍋爐等重點工作部位都是有應用，他們都采用DP總線或者以太網(wǎng)進行互連以及與計算機連接，支持DP、MODBUS總線通訊。

2.4 橫河公司控制系統(tǒng)

橫河公司的控制系統(tǒng)是CS3000，采用ESB（擴展型串行背板）總線和ER（增強型遠程）總線連接控制器和IO站，以太網(wǎng)和V-Net連接控制器和計算機，支持DP、MODBUS、FF總線通訊。

2.5 和利時公司控制系統(tǒng)

和利時公司的控制系統(tǒng)有SmartPro、MACSV，此控制系統(tǒng)在我公司一礦充填站有所應用，該系統(tǒng)采用DP總線連接控制器和IO卡件，以太網(wǎng)連接控制器和計算機，支持DP、MODBUS總線通訊。

2.6 浙大中控控制系統(tǒng)

浙大中控公司的控制系統(tǒng)有JX300X、JX300XP、ECS-100，采用SBUS（IO控制）總線連接控制器和IO站，SCnetII（過程控制網(wǎng)）連接控制器和計算機，支持DP、MODBUS總線通訊。

3 在用控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡架構對比

3.1 共性

3.1.1 下位網(wǎng)絡

通過以上國內(nèi)的主流控制系統(tǒng)的對比，可以看出現(xiàn)在控制系統(tǒng)的下位網(wǎng)絡雖然各家有各家的專用IO總線，但是都有與其它PLC和智能儀表連接的MODBUS、DP總線通訊功能，兼容性較好。

3.1.2 上位網(wǎng)絡

上位網(wǎng)絡基本上都采用以太網(wǎng)協(xié)議，或者除專用通訊網(wǎng)絡外還支持以太網(wǎng)協(xié)議。上位通訊節(jié)點較少時（不多于6個），一般可以直接訪問控制器；如果通訊節(jié)點較多，一般采用客戶機∕冗余服務器的方式訪問控制器。

3.2 各系統(tǒng)實際應用中的問題

目前在用的控制系統(tǒng)中，完全采用一家公司產(chǎn)品做成的控制系統(tǒng)，如果不連接通訊節(jié)點，都能夠正常平穩(wěn)的運行，一旦涉及到第三方通訊，情況就可能很不一樣。

3.2.1ABB的AC460

該系統(tǒng)運行穩(wěn)定性能較好，但是ABB的AC460與第三方的通訊方式只支持MODBUS協(xié)議，不支持現(xiàn)有的一些主流的通訊方式和協(xié)議，設備的兼容性不太好，組態(tài)界面也不夠友好，需要專用的工作站才能使用，而且工作站價格十分昂貴。

3.2.2 橫河的CS3000

橫河的CS3000一般規(guī)模都比較小，環(huán)境也相對好，也沒有太多第三方通訊，運行情況良好，故障率相比較低。

3.2.3 ABB的AC800F、AB的Logix5000

我公司在用的幾套AC800F控制系統(tǒng)，系統(tǒng)點數(shù)不多的都能平穩(wěn)運行；但是規(guī)模較大時（點數(shù)超過4000），特別是存在大量DP通訊時（主要是與本休控制系統(tǒng)、西門子控制系統(tǒng)），在運行一段時間后，都頻繁出現(xiàn)了通訊不暢的問題，使用數(shù)據(jù)交換出現(xiàn)停滯、斷線，對生產(chǎn)組織產(chǎn)生了一定影響。

3.2.4 西門子的S7系列

我公司西門子系統(tǒng)比較多，但是不少是設備自帶的，點數(shù)少，沒有遠程IO，所以自身運行平穩(wěn)；但也有少量是較大規(guī)模的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，偶爾也會出現(xiàn)DP通訊干擾問題。

3.2.5 和利時的MACSV、浙大中控的JX300XP、ECS-100

系統(tǒng)運行相對平穩(wěn)，軟件組態(tài)上也更適合國人的習慣；但是在運行過程中，有時會出現(xiàn)冗余控制器無法自動切換、通訊中斷等故障，控制器和卡件損壞頻率相比進口產(chǎn)品較高。

4 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡架構設計建議

今后控制系統(tǒng)設計的趨勢是集成化、網(wǎng)絡化、信息化，所以上新項目時除了考慮控制系統(tǒng)的可靠性、性價比外，還必須詳細考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡設計，即網(wǎng)絡架構的三層：控制層、監(jiān)視層、管理層，保證系統(tǒng)后續(xù)運行時整個網(wǎng)絡的安全可靠運行。不同的廠家采用的控制層網(wǎng)絡各不相同，可以不必強求統(tǒng)一；網(wǎng)絡的監(jiān)視層需要盡量統(tǒng)一到以太網(wǎng)協(xié)議上來，這是今后的必然趨勢，也為管理層提供了良好的建設基礎；網(wǎng)絡的管理層即廠域網(wǎng)，普遍采用的也是以太網(wǎng)協(xié)議。

通過以上在用控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構對比，建議從三方面考慮網(wǎng)絡設計和施工：

4.1 通訊協(xié)議支持

控制系統(tǒng)下位除了自身的專用協(xié)議外，需要能夠支持以太網(wǎng)、DP、MODBUS、DeviceNet、FF等與第三方設備通訊的協(xié)議。上位連接需要考慮到OPC、DDE等通訊，為以后的管理信息集成預留通訊接口。

4.2 合理規(guī)劃通訊網(wǎng)絡

通訊網(wǎng)絡在項目初設時，必須考慮自身的網(wǎng)絡劃分、網(wǎng)絡的冗余以及與第三方的網(wǎng)絡通訊，同時從工藝的角度考慮以后分片檢修可能對通訊網(wǎng)絡帶來的影響；特別是第三方通訊的節(jié)點數(shù)要適當控制，因為實踐證明過多的通訊節(jié)點，必然導致后期運行時系統(tǒng)的不穩(wěn)定性極大地增高；在詳細設計是必須考慮通訊網(wǎng)絡的專用橋架，考慮到橋架的走向，盡量遠離能帶來電磁干擾的高壓線路、變頻器；選擇適當?shù)耐ㄓ嵔橘|(zhì)，配套適合的通訊轉(zhuǎn)換模塊，提高網(wǎng)絡本身的抗干擾性和安全性。

4.3 合理施工通訊網(wǎng)絡

在項目實施階段，根據(jù)通訊網(wǎng)絡施工圖科學施工，保證優(yōu)良的施工質(zhì)量。

10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.05.030