专利名称：一种递阶容错的网状dcs通信网络的实现方法
技术领域：
本发明涉及一种工业控制网络，特别是一种具有递阶容错结构的网状DCS通信网 络的实现方法。
背景技术：
用于工业控制领域的计算机通信网络一般要求具有高度的可靠性和实时性，因 此，目前工业应用中的分散控制系统(Distributed Control System，简称DCS)通常采用 1 1双网冗余结构的DCS控制网络来实现系统各个功能结点(DCS控制器或人机接口站， Function Node)间的可靠通信。而其下层网络如DCS输入输出模件的通信网络(又称I/ 0总线)和连接现场智能仪表和控制设备的通信网络(又称现场总线)往往与其采用不同 的网络通信协议并形成分级的通信网络。每对1 1冗余的控制器将与之相连的I/O总线 和现场总线和其它控制器的下层网络之间相互分隔开来，形成多个完全独立的并列网络单 元。因此，从拓扑结构上看，目前DCS的这种多层通信网络是由多个完全分隔开来的子网所 构成，通过DCS控制器来实现不同层的通信网络间的数据转发和交互。上述方法有以下缺点(1)通信总线冗余技术实现复杂，一般要求每个DCS控制器 具有两个1 1并列的通信网络接口，并且每个通信网络的接口均要进行判断和故障切换， 因此，其硬件与通用的计算机和网络设备相比，均要作特殊设计并增加一套复杂的冗余切 换电路和软件来实现冗余网络间的无扰切换；(2)存在故障瓶颈不同的I/O总线和/或现 场总线上的现场结点(输入输出模件、智能仪表或控制设备，Filed Node)与DCS控制网络 上的其它功能结点之间的通信都必须经过其所连接的功能结点进行转换，一旦该功能结点 故障退出工作，其连接的现场结点与其它功能结点的相互联系就会完全中断；(3)难以实 现多重容错和自愈功能目前的现场总线设计一般都通过单一或并列冗余的通信链路连接 处于工业过程现场的设备，通信距离较长。一旦该通信链路本身出现故障，由于网络不具备 自愈和容错功能，大大降低了现场总线系统的可靠性；(4)系统成本高现场结点无论是否 参与控制，都必须通过DCS控制器转接，大大增加了 DCS控制器和机柜等相关配套部件的数 量和不必要的系统成本；(5)结构适应性较差目前的DCS控制网络大多仍沿袭了传统的总 线形、环形或星形等局域网络拓扑结构和多层转接方式的分级分隔方式，限制了系统按合 理的分散度和根据复杂应用的需要进行结构优化配置，也不太适应较大空间范围的安全布 线。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明采用了一种具有分层递阶结构和多重容错功能的网 状DCS通信网络来解决多层DCS通信网络的可靠性和适应性问题。本发明的具体技术方案是通过采用一种分层的网状拓扑结构和递阶容错的方法 来实现的。该DCS通信网络由路由或交换设备、通信介质、以及DCS结点(包括DCS控制器、 人机接口站等功能结点，或输入输出模件、现场智能仪表、控制设备等现场结点)组成。网
3络中的DCS结点具备通信数据包的收发和转发功能，并根据需要分别连接在不同层的路由 或交换设备上，每个结点均与同层的另外两个结点有通信链路连接，每层结点均连接形成 一个逻辑环；相应的DCS功能可以由其中预先定义的主结点(1)和副结点(2)同时执行，相互 之间构成一个功能容错结点，并且，同层环路上的所有功能容错结点可以依次形成一个水 平方向的递阶复用结构来完成该层所有的DCS功能；下层网络的任一结点(11)分别与上层网络一个功能容错结点中的主结点(1)级 联和一个副结点(2)级联，成为功能容错结点的从属结点；而功能容错结点的主结点(1)又 与下层其相邻的另外一个结点(10)直接级联，该结点可以通过下层的环路完成相邻结点 (11)的数据包转发，成为功能容错结点的转发结点，上下层的结点均按这种结构关联在一 起形成一种三角形的垂直分层递阶网状结构；正常时，网络中的任一下层结点(11)将由一个可选冗余的上层主结点⑴控制， 当主结点(1)故障时，副结点(2)可以通过独立的链路接替对该结点(11)的控制；当下层 网络的从属结点(11)与上层主结点(1)和副结点(2)直接相连的物理链路均出现故障时， 还可以通过下层的转发结点(10)与主结点(1)通信实现数据传递，每个结点都通过一个多 重容错算法实现DCS上述通信网络的容错。2、如权利要求1所述的实现方法，其特征在于其中的多重通信容错算法进一步 是采用IP地址递阶优先的方法来实现的；每个DCS结点均按同层结点的IP地址排序及按上、下层结点IP地址分级，定义为 逐层逐次的IP地址优先级关系；每个DCS结点均会在DCS通信数据包基础上，以远小于正常数据包发送周期的间 隔以广播或组播的方式向关联的同层和上、下层结点发送一个容错校验包，该容错校验包 含有一个与IP地址相关的“心跳”特征信息字和同步信息；每个结点都实时甄别该特征信息字的符合度，并据此确定一个满足符合度的最高 IP地址优先级的结点作为主控结点，从而确定其对同层和下层相关结点的控制权，并选取 由该结点收发的实时数据包；当同层高一级的结点出现故障，不满足符合度时，次一级的结点将根据IP地址优 先级自动递次升级为主控结点；当某一个功能容错结点中的主结点和副结点均因通信信道 故障而无法获得下层从属结点的容错校验包时，将自动甄别下层转发结点的容错校验包， 并在符合度条件满足时，获取相应的数据包。本发明的有益效果是与现有的技术相比，所采用的技术方案以一种递阶的结点功 能复用和结点递阶容错的网状结构实现DCS通信网络的多重容错功能，消除了现有DCS通 信系统中的瓶颈和薄弱环节，通过采用预定IP优先级的递阶容错算法和路经数量(小于3) 的确定式路由模式，规避了网状网络路由自愈算法的复杂性，也有效地保证了系统的实时 性和同步性。本发明还可以采用通用的计算机和网络通信设备实现所有的功能，不需要专 用的冗余切换元件，具有更低的实现成本和更高的可靠性、适应性。
图1是本发明的递阶容错网状DCS通信网络的结构示意4
图2是一种现有的DCS通信网络结构示意图；图3是一种在现有的DCS通信网络实施改进后的网络结构示意图。
具体实施例方式下面结合图2和图3来对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术 方案为前提下进行实施并给出了具体的实施方式和系统结构，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。如图2所示的一个DCS，整个系统包括2个人机接口站结点(1)、⑵和3个DCS控 制器结点(3)、(4)、(5)，每个DCS控制器都通过现场总线通信模件(6)、(7)、(8)连接到场 总线上的多个智能现场总线设备，并根据距离的不同采用了双绞线(实线)或光纤(虚线) 相连接。其中，现场总线通信模件(8)所带的现场总线设备采集的数据仅需在人机接口站 (1)、(2)上进行显示，而现场总线通信模件(7)所连接的是更为重要的安全级设备。现场 总线通信模件(6)与DCS控制器(3)放置地点一致采用了双绞线连接。从图2可以看出，在现有的DCS结构中，当一个控制器停用，或与现场总线通信模 件之间的线缆故障时，与之相连的所有现场总线设备都无法向DCS传送数据或接收DCS的 控制指令，这也是目前现场总线实际应用中存在的一个普遍的问题。尽管采用数字通信方 式取代了传统的4 20mA模拟量信号，节省了大量的信号电缆，但考虑到长距离通信的可 靠性因素，以及数字通信方式对各种不确定干扰的敏感性，不得不减少每个现场总线通信 模件所带的现场设备数量或采取一些冗余改进方案，这样又大大提高了整个系统的硬件和 维护成本。图3是采用本发明技术方案构成的采用分层递阶容错网状通信网络的改进方案。 改进方案采用网状布线，每个地点都有至少两个不同向的通信链路与DCS相连，避免了同 向数据通信线缆出现故障时造成的系统通信中断。同时，仅需显示的现场总线上的(8)设 备根据实际需要被直接连接到了人机接口站(1)、(2)上，不必通过DCS控制器(5)转接，节 省了 DCS控制器及相应的机柜等设备，由于(1)、(2)预先定义成为一个功能容错结点，采用 本发明的多重容错算法实现其功能的容错，可靠性没有因此降低。DCS控制器(3)、(4)也定义为一个功能容错结点，构成一个三角形的分层递阶网 状结构，在满足用户要求的前提下，原来必须采用冗余结构的控制器还可以设置为非冗余， 而采用本发明的功能递阶容错结构，能够在满足原来的可靠性要求前提下进一步减少控制 器硬件数量。现场总线上的通信结点(6)、(7)分别与控制器(3)、⑷和人机接口站(2)级联， 成为功能容错结点的从属结点。正常工作时，网络中的结点(7)将由一个上层主结点(3) 控制，当主结点⑶故障时，副结点⑷可以通过独立的链路接替对该结点(7)的控制；当 下层网络的从属结点(7)与上层主结点(3)和副结点(4)直接相连的物理链路均出现故障 时，还可以通过下层的转发结点(6)与主结点(3)通信，从而实现了通信网络的多重容错。而采用本发明的多重通信容错方法，上述通信结点均预先按同层结点的IP地址 顺序和分层结点的IP地址级别设置优先级关系，如预先定义(3)的优先级大于(4)、(4)的 优先级大于(2)、(2)的优先级大于(1)，而(6)、(7)、⑶为下一级再次之。每个DCS功能 结点(1)、(2)、(3)、(4)、(6)、(7)、(8)均在普通的DCS实时数据包基础上，以小于发送周期的间隔(为其1/10)以广播的方式向关联的同层和上、下层结点发送一个容错校验包，该容 错校验包中含有一个与IP地址相关的“心跳”特征信息字和同步信息；每个结点将实时甄 别该特征信息字的符合度，如当(3)的“心跳”特征信息字正常时，(7)会接收(3)发出的同 步信息而受其控制，读取(3)发送的实时数据包，并采用(3)的控制指令输出到(7)实现控 制；当(3)不正常时，如果(7)接收到的(4)的“心跳”特征信息字正常，将接收(4)发出的 同步信息而受其控制，(7)与(4)进行实时数据包的交互并完成相应的DCS功能；当(7)从 现场到(3)、⑷的通信线缆均发生故障时，如果(7)至、(6)以及(6)到(3)的转发信道特 征信息字甄别正常，(3)与(7)将通过(6)的转发而继续保持功能的实现可能。这样，DCS 系统与重要现场设备之间的远程通信实现了递阶容错通信，可靠性大为提高。
同时，可以看出，通过采用本发明的方法，可以根据DCS功能及现场总线设备的重 要性、用途和实际安装位置灵活地进行容错配置，具有较高的适应性。同时，在提高了可靠 性的同时，也降低了系统成本。
权利要求
一种由路由或交换设备、通信介质、以及DCS结点(包括过程控制器、人机接口站等功能结点，或输入输出模件、现场智能仪表、现场控制设备等现场结点)组成的网状DCS通信网络的实现方法，其特征在于在该通信网络中，每个DCS结点可根据需要分别连接在不同层的通信网络上，每个结点均与同层的另外两个结点有通信链路连接，每层结点均连接形成一个逻辑环；相应的DCS功能都可以由其中一个预先定义的主结点(1)和副结点(2)同时执行，相互之间构成一个功能容错结点，并且，同层环路上的所有功能容错结点可以依次形成一个水平方向的递阶复用结构来完成该层所有的DCS功能；下层网络的任一结点(11)分别与上层网络一个功能容错结点中的主结点(1)级联和一个副结点(2)级联，成为功能容错结点的从属结点；而功能容错结点的主结点(1)又与下层其相邻的另外一个结点(10)直接级联，该结点可以通过下层的环路完成相邻结点(11)的数据包转发，成为功能容错结点的转发结点，上下层的结点均按这种结构关联在一起形成一种三角形的垂直分层递阶网状结构；正常时，网络中的任一下层结点(11)将由一个可选冗余的上层主结点(1)控制，当主结点(1)故障时，副结点(2)可以通过独立的链路接替对该结点(11)的控制；当下层网络的从属结点(11)与上层主结点(1)和副结点(2)直接相连的物理链路均出现故障时，还可以通过下层的转发结点(10)与主结点(1)通信实现数据传递，每个结点都通过一个多重容错算法实现DCS上述通信网络的容错。
2.如权利要求1所述的实现方法，其特征在于其中的多重通信容错算法进一步是采 用IP地址递阶优先的方法来实现的；每个DCS结点均按同层结点的IP地址排序及按上、下层结点IP地址分级，定义为逐层 逐次的IP地址优先级关系；每个DCS结点均会在DCS通信数据包基础上，以远小于正常数据包发送周期的间隔以 广播或组播的方式向关联的同层和上、下层结点发送一个容错校验包，该容错校验包含有 一个与IP地址相关的“心跳”特征信息字和同步信息；每个结点都实时甄别该特征信息字的符合度，并据此确定一个满足符合度的最高IP 地址优先级的结点作为主控结点，从而确定其对同层和下层相关结点的控制权，并选取由 该结点收发的实时数据包；当同层高一级的结点出现故障，不满足符合度时，次一级的结点将根据IP地址优先级 自动递次升级为主控结点；当某一个功能容错结点中的主结点和副结点均因通信信道故障 而无法获得下层从属结点的容错校验包时，将自动甄别下层转发结点的容错校验包，并在 符合度条件满足时，获取相应的数据包。
全文摘要
一种递阶容错的网状DCS通信网络的实现方法本发明提供了一种具有分层递阶和多重容错特征的网状DCS通信网络的实现方法，其具体的技术方案是通过将DCS结点按分层组成环状网络并以主、副结点、从属结点、转发结点的关系关联在一起构成具有递阶容错特征的三角形网状结构，并通过预先定义IP地址优先级和固定路由途径的递阶容错方法来实现的。本发明有效地解决了现有技术中存在的故障瓶颈和薄弱环节。提高了整个DCS通信网络的可靠性和适应性。
文档编号H04L12/56GK101969380SQ200910199249
公开日2011年2月9日 申请日期2009年11月23日 优先权日2009年11月23日
发明者叶敏, 叶灵, 吴胜昔, 龚翔 申请人:上海迪吉特控制系统有限公司