专利名称：核电站用分布式控制系统的控制通信网的传送帧结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种构成核电站用的分布式控制系统的控制通信网的传送帧的方法，该方法可以实现重视实时性和可靠性的核电站用的分布式控制系统的控制通信网的有效运营。具体讲，涉及一种控制通信网的传送帧结构，使控制通信网内的所有工序控制用工作站共享从现场通信网或信息通信网传送来的监视和控制信息，在控制通信网的信道(环形线路)或工序控制工作站出现故障时能够恰当地应对。
背景技术：
专利文献1特开平08-065323通常，分布式控制系统是在发电厂和石油化工等产业的现场中对多个处理器进行有效的控制并共享数据的系统，但是，构成核电站用的分布式控制系统的通信网，由信息通信网、控制通信网、以及现场通信网(Field Communication Network)构成。上述信息通信网连接分散在广泛的区域内的多个工作站，可以相互共享各种信息。上述控制通信网发挥着使现场的多个现场控制装置可以相互共享数据的介质的作用。
上述现场通信网提供控制通信网和现场的各个现场控制装置之间的直接的通信方法。在对这些构成要素中的分散于发电厂现场的系统进行控制时，可以实现分散的控制器和设备之间的数据交换及共享功能的控制通信网的作用非常重要。上述控制通信网利用100M的以太网进行通信，在该控制通信网上连接着多个工序控制用工作站，通过这些工作站连接着现场通信网。
用于进行产业用控制的通信网有使用常用的现场总线、IEEE 802.3(CSMA/CD；以太网)、以及802.4(令牌总线(Token Bus))、802.5(令牌环(Token ring))等各个公司开发的固有通信协议的通信网等。上述现场总线用于控制目的，但是相比上位等级的通信网，主要使用下位等级的通信网。上述以太网由于通信网中的多个工作站以竞争方式与通信网连接，所以不能充分保证发电厂控制所需的实时性和可靠性。上述令牌总线和令牌环等的通信方式为了解决以太网的不可靠性，各工作站可以按顺序传送数据，能够用于实时数据传送。但是，在本发明涉及的内容中，由于使用以往的100M以太网卡，所以详细说明以太网的传送帧。图1表示被使用得最多的近距离通信网即IEEE项目802系列的介质接入控制(MAC)通信协议中的使用CSMA/CD接入方法的以太网的传送帧结构。
在附图中，前导码(Preamble)(100)表示802.3帧的第1个字段，由0和1反复的7字节构成，通知接收系统帧已到达的情况。SFD(开始帧定界符(Start Frame Delimiter))(101)是用来通知帧的开始的指示器，为1字节。目的地址(102)被分配了6字节大小的下一个目的地址，源地址(103)表示传送分组的发送地的地址，为6字节。长度PDU(Length PDU)(104)表示马上要接收的数据的长度，为2字节。
并且，数据和填充符(Data and Padding)(105)的帧长度是46～1500字节，包括802.2(逻辑链接控制(Logical Link Control))。字段是被模块化的可以去除的单位。最后，CRC(106)传送用于检测传送数据的错误的信息。以太网中使用的网络的接入方式，在通信量大的情况下，由于难以预测的时间延迟和竞争，可能产生冲突和失败。
产业控制用的通信协议中的现场总线根据系统的应用对象，使用的协议不同，由于被设计成主要适合于控制现场设备，所以不适合作为大规模的工序控制系统即核电站用的分布式控制系统的控制用通信协议。另外，以太网由于通信网中的多个工作站以竞争方式连接接入通信网，所以不能充分保证发电厂控制所需的实时性和可靠性，不能适用针对核电站用的分布式控制系统的通信系统的缺陷的容许和通信网的管理用的应用算法。总之，在出现通信系统的线路故障或工作站故障时不能恰当地对应。
如上所述，现有的以太网802.3由于通信网中的多个工作站以竞争方式来连接通信网，不能充分保证大容量的核电站用的分布式控制系统的控制所需的实时性和可靠性，802.4(令牌总线)和802.5(令牌环)等方式虽然可以用于工厂自动化和工序控制的应用中，但是不能充分保证核电站用的分布式控制系统的通信系统所要求的实时能力，不能收容为了通信网的灵活应用所需要的用于缺陷的容许、双工化、以及故障的处理的应用算法。
发明内容
因此，本申请的发明者开发了一种全新方式的传送帧构成方法，在最大可以连接64个工作站的大容量分布式控制系统的应用中，使控制通信网的所有工作站可以实时地共享来自现场控制装置的最新信息，并且在控制通信系统出现故障时系统正常工作(缺陷容许)。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，提供一种核电站用的分布式控制系统的传送帧结构，使用作为控制用通信网的100M以太网的基础通信网，在大容量的核电站用的分布式控制系统的控制通信网的应用中，控制通信网内的所有工序控制用的工作站可以实时地共享使用上述100M以太通信网从现场通信网或信息通信网传送来的监视和控制信息，在控制通信系统中的节点或通信网出现故障时可以恰当地对应。
作为本发明的传送帧的核心字段，可以向帧的字段另外追加指定具有传送数据的权限的工作站的令牌调度信息的管理、和用于将发生故障的通信线路隔离的通信网管理用的字段。
本发明的核电站用的分布式控制系统的控制通信网，如果从具有发送权的一个节点传送数据，则所传送的数据通过旁通线路向所有节点进行广播通信(broadcasting)，环加速装置不仅用于传送数据的迂回通过，也用于发生故障的工作站的隔离，其特征在于，通信网的运营、故障和恢复通过传送帧来进行，该传送帧由以下字段构成类型/长度(Type/Length)字段，区分在进行上述广播通信时使用的目的地节点地址、记录发送节点的地址(ID)的发送节点地址、作为帧的类型的控制用数据帧和通信网管理用的事件帧等；通信网管理用字段，其仅在该类型/长度字段指定自身的情况下为有效字段，根据NM_TYPE来决定其作用；Seq&Ver字段，包括数据帧的传送次数和帧的升级版本信息；NS_ID字段，记录了下一个接收令牌的节点的序号，在从某一个工作站向下一个工作站传递令牌时参照；数据字段，其大小最大为1千字节(kb)，根据类型/长度字段的值有时承载一般控制用信息，也可以承载令牌帧等7种事件帧；CRC字段，用于检测CRC(循环冗余校验)错误。
本发明提出的传送帧的构成方法，可以恰当地对应上述IEEE 802系列的通信网所不能收容的通信系统的线路故障或工作站故障。并且，在最多可以连接64个工作站的核电站用的分布式控制系统的应用中，通过把来自现场控制装置的最新信息迅速传递给控制通信网的所有工作站，从而可以实现系统的实时控制，可以提高系统的稳定性和可靠性。
图1是以太网传送帧的结构图。
图2是控制通信网的结构和数据传递结构的图。
图3是控制通信网的拓扑改善装置的结构图。
图4是本发明的控制通信网的管理算法和状态变化的图。
图5是本发明的核电站用分布式控制系统的控制用传送帧的结构图。
具体实施例方式
以下，参照附图详细说明本发明的优选实施例。
本发明的核电站用分布式控制系统的控制通信网的传送帧的构成方法，可以实现重视实时性和可靠性的核电站用分布式控制系统的控制通信网的有效应用。并且，本发明的控制通信网的传送帧结构，可以使控制通信网内的所有工序控制用工作站共享从现场通信网或信息通信网传送来的监视和控制信息，在控制通信网的信道(环形线路)或工序控制工作站出现故障时能够恰当地对应。
图2是具体实现了核电站用分布式控制系统的控制通信网的示例。该通信网的结构虽然是环形通信网，但是实质上具有总线型结构，如果从具有发送权的一个节点(204)传送数据，所传送的数据通过旁通线路向所有节点(201、202、203、204)进行广播通信。在上述节点(201～204)内分别具有发送部(T)、接收部(R)和缓冲器(Buffer)，通过环加速装置(200)选择进行数据传送或广播通信。数据的传送是从具有传送权限的节点(i)向右侧再向i+1、i+2节点继续移动而进行的。
上述环加速装置(200)不仅用于传送数据的迂回通过，也用于发生故障的工作站的隔离(参照图3)。虽然本通信网的介质控制方式利用令牌来进行，但初期令牌的生成和令牌的流向管理由预先指定的管理节点(201)来进行。
并且，管理节点(201)观察所有的通信网的令牌和数据的流向，判别在当前时刻具有传送权限的节点(204i)，监视数据是否从各节点被恰当地传送或接收。为防备上述管理节点(201)出现故障，管理节点的下一个节点即管理候补节点(202)周期地监视管理节点(201)的健全性。如果管理节点(201)发生异常，管理候补节点(202)检测到该情况并获得管理权限，把产生异常的过去的管理节点(201)从通信网隔离，并对整个通信网进行管理。
图3表示图2所示的环加速装置(200)的结构，在发送线上显示有TxN和TxP，在接收线上显示有RxN和RxP。控制部(300)指定接收模式(320)或发送模式(330)，开关按照各模式来动作，在接收模式(320)下，接收数据，并且通过连接模拟开关(312)的旁通用线路把接收数据传递给下一个节点。在发送模式(330)下，在切断模拟开关(312)后，把要发送的数据直接传送给相邻的节点。上述控制部(300)是利用软件来具体实现的，为了变更为接收模式(320)或发送模式(330)，可以向控制信号线(301)施加控制信号。
根据上述控制部(300)的状态，模拟开关部(310)内的2个模拟开关(311、312)根据各状态而动作。在接收模式(320)下，控制部(300)被输入接收模式(320)信息，模拟开关(312)接通(ON)，另一个模拟开关(311)断开(OFF)，输入部的数据被输入接收节点(320)，并且通过模拟开关(312)把数据传送给相邻的节点。在发送模式(330)下，控制部(300)被输入发送模式(330)信息，模拟开关(312)断开，另一个模拟开关(311)接通，把要发送的数据传送给相邻的节点。
图4表示控制通信网的管理节点的数据传送的状态变化(400)、和发生通信系统的线路故障或工作站故障时通过管理节点进行的针对故障的算法(410)。所有工作站在接收状态(401)下待机，如果接收到令牌，则进行数据传送(402)，在完成数据传送后，传送(403)令牌，再次返回接收状态。
在接收状态下，如果发生通信系统故障引起的定时器中断，进行检查信道的健全性的帧的传送(411)，检查信道(线路)的错误状况，在信道发生错误时，传送(412)信道切换帧，进行信道切换，在工作站(节点)发生故障时，进行故障工作站的检查(413)，把所确认的故障工作站的帧传送(414)给所有工作站后，传送(403)令牌，再次返回接收状态(401)。并且，所有工作站在接收状态(401)下，如果从管理工作站接收到故障工作站的信息，在进行故障工作站的地址的更新(415)后，不向故障工作站传送数据。
图5表示在本发明的控制通信网的数据通信用数据链路层中使用的传送帧结构。控制用通信网的通信方式使用在环形传送线路中，使令牌按照已决定的顺序循环经过所有节点的令牌通过方式。在控制通信网的各工作站，拥有令牌意味着具有传送权限，如果拥有令牌的节点结束了传送，则把令牌转交给下一个节点，下一个节点可以传送数据。
通信网的运营、故障及恢复的算法利用图5所示的传送帧来进行。6字节大小的目的地地址(501目的节点地址)用于进行广播通信，6字节大小的源地址(502发送节点地址)记录发送节点的地址(ID)。2字节大小的类型/长度字段(503)是用来区分帧的类型的字段，帧的类型有控制用数据帧和通信网管理用事件帧两种。上述数据帧的类型/长度字段(503)、和包括令牌的传送的7种事件帧(参照后述的表1)的类型/长度字段(503)分别被指定为不同的值。
在上述的类型/长度字段(503)指定事件帧的情况下，通信网管理用字段(NM_TYPE字段506)必定指定7个事件帧中的一个帧。即，1字节大小的通信网管理用字段(506)是仅在类型/长度字段(503)指定自身时才有效的字段，根据NM_TYPE(参照表1)来决定其作用。1字节大小的Seq&Ver字段(504)包括数据帧的传送次数和帧的升级版本信息。1字节大小的NS_ID字段(505)记录下一个接收令牌的节点的序号，在从某一个工作站向下一个工作站传递令牌时参照。
另一方面，43～1024字节大小的数据字段(507)使用最大1千字节的大小，根据类型/长度字段(503)的值，有时承载一般控制用信息，另外也可以承载令牌帧等7种事件帧。4字节大小的CRC字段(508)是用于检查CRC错误的字段。
本发明的传送帧的构成要素中，Seq&Ver字段(504)、NS_ID字段(505)和NM_TYPE字段(506)是为了应用于本发明的核电站用分布式控制系统的控制通信网而新开发的构成方法，目的地节点地址(501)、发送节点地址(502)、类型/长度字段(503)以及数据字段(507)、CRC字段(508)等的功能和现有以太网传送帧内存在的构成字段大致相同。其中，不同点是在数据字段(507)中不仅可以包括以太网的数据传递功能的信息，还可以包括事件帧的信息，可以收容的最大数据容量被限制为1024(1K)字节，而以太网是1500字节。
表1控制通信网的事件帧的类型
在上述表1中，NM_TOKEN_FRAME(601)单元是通信网的运营用的令牌帧，接收了该帧的一般工作站具有传送权限，通过广播通信来传送自身的数据。NM_DUAL_CH_CHECK_FRAME(602)单元是在已有的正在使用的信道不正常时，确认要切换的信道的链路是否有效并检查健全性的帧。NM_DUAL_CH_READY_FRAME(603)单元是在主信道不正常时，向一般节点通报向候补信道的通信切换的准备。
并且，NM_LINK_CHECK_FRAME(604)单元是在每当接收了预先设定次数的令牌时，周期地确认通信网的候补信道线路即候补线路(链路)是否有效。NM_NODE_FAIL_FRAME(605)单元是在节点被隔离或发生动作上的异常时，向所有节点传送新的令牌调度信息，通知不正常的节点的地址。NM_NODE_CHECK_FRAME(606)单元是用于对因故障而被隔离了的节点，周期地确认该节点是否已再次恢复到正常状态，在故障已解除时使其再次加入通信网并赋予其传送权限的帧。
NM_TX_MODE_FRAME(607)单元是针对故障节点，自动地使拓扑(topology)改善装置的旁通线路动作(模拟开关接通)，使故障节点总是保持接收(RX)模式，在故障节点恢复正常时，解除对节点的接收模式的保持，并使该节点在接收到令牌时可以进行发送(TX)。
不使用以往的以太网、令牌总线和令牌环的通信网中使用的传送帧，而另外设计传送帧，并适用于通信系统。本发明的传送帧的最大特征是，另外设计预先指定具有数据的传送权限的工作站的令牌调度信息的管理、和用于将发生故障的通信线路隔离的通信网管理字段，并追加到帧的字段中。
即，在令牌环或FDDI中，与数据帧和令牌帧构成为不同帧的情况不同，本发明的传送帧是一个帧的结构，可以实现数据和令牌的传递。通信网管理字段全部由7个事件帧构成。令牌帧也作为事件帧的一种，包含于通信网管理用字段中。
权利要求
1.一种核电站用分布式控制系统的控制通信网的传送帧结构，如果从具有发送权的一个接点传送数据，则所传送的数据通过旁通线路向所有节点进行广播通信，环加速装置不仅用于传送数据的迂回通过，也用于发生故障的工作站的隔离，其特征在于，通信网的运营、故障和恢复通过传送帧来进行，该传送帧在进行上述广播通信时使用，由以下字段构成类型/长度字段，区分在进行上述相同通信时使用的目的地节点地址、记录发送节点的地址(ID)的发送节点地址、作为帧的类型的控制用数据帧和通信网管理用事件帧等；通信网管理用字段，其仅在该类型/长度字段指定自身的情况下为有效字段，根据NM_TYPE来决定其作用；Seq&Ver字段，包括数据帧的传送次数和帧的升级版本信息；NS_ID字段，记录了下一个接收令牌的节点的序号，在从某一个工作站向下一个工作站传递令牌时参照；数据字段，其大小最大为1千字节，根据类型/长度字段的值有时承载一般控制用信息，也可以承载令牌帧等7种事件帧；CRC字段，用于检测CRC错误。
2.根据权利要求1所述的核电站用分布式控制系统的控制通信网的传送帧结构，其特征在于，使用下述字段进行数据通信，包括上述通信网管理用的7种事件的NM_TYPE字段；区分数据帧和事件帧的类型/长度字段；具有令牌调度信息的NS_ID字段。
3.根据权利要求1或2所述的核电站用分布式控制系统的控制通信网的传送帧结构，其特征在于，上述通信网管理用字段(NM_TYPE)的事件帧结构，不使用令牌传送用的另外的令牌帧，通过设定类型/长度字段来指定令牌帧，进行事件控制。
4.根据权利要求1所述的核电站用分布式控制系统的控制通信网的传送帧结构，其特征在于，在现有的正在使用的信道不正常时，为了确认要切换的信道的完好性，使用候补信道检查帧(NM_DUAL_CH_CHECK_FRAME)来进行事件控制。
5.根据权利要求1所述的核电站用分布式控制系统的控制通信网的传送帧结构，其特征在于，在主信道不正常时，为了向一般节点通报向候补信道的通信切换的准备，使用NM_DUAL_CH_READY_FRAME进行事件控制。
6.根据权利要求1所述的核电站用分布式控制系统的控制通信网的传送帧结构，其特征在于，为了在每当接收了预先设定次数的令牌时，周期地确认通信网的候补信道即候补线路(链路)是否有效，使用NM_LINK_CHECK_FRAME来进行事件控制。
7.根据权利要求1所述的核电站用分布式控制系统的控制通信网的传送帧结构，其特征在于，在节点被隔离或发生节点故障时，向所有节点传送新的令牌调度信息，为了通知不正常的节点的地址，使用NM_NODE_FAIL_FRAME来进行事件控制。
8.根据权利要求1所述的核电站用分布式控制系统的控制通信网的传送帧结构，其特征在于，为了对因故障而被隔离的节点，周期地检测该节点是否已再次恢复到正常状态，在故障解除时使其再次加入到通信网并赋予其传送权限，使用NM_NODE_CHECK_FRAME来进行事件控制。
9.根据权利要求1所述的核电站用分布式控制系统的控制通信网的传送帧结构，其特征在于，为了在故障节点恢复正常时，解除对节点的接收模式的保持，并使该节点在接收到令牌时可以进行发送(TX)，使用NM_TX_MODE_FRAME来进行事件控制。
全文摘要
提供一种核电站用分布式控制系统的传送帧结构，使控制通信网内的所有工序控制用工作站可以实时地共享监视和控制信息，在节点或通信网出现故障时可以恰当地对应。具有发送权的一个节点的数据，通过旁通线路向所有节点进行广播通信，环加速装置用于传送数据的迂回通过和发生故障的工作站的隔离。通信网的运营、故障和恢复通过传送帧进行，该传送帧由以下字段构成类型/长度字段，区分在目的地节点地址、发送节点地址、控制用数据帧和事件帧等；通信网管理用字段，仅在类型/长度字段指定自身时有效；Seq & Ver字段，包括数据帧的传送次数和帧的升级版本信息；NS_ID字段，记录了下一个接收令牌的节点序号，在传递令牌时参照；数据字段，可以承载事件帧；CRC字段，用于检测错误。
文档编号H04L12/40GK1859362SQ20051007041
公开日2006年11月8日 申请日期2005年4月30日 优先权日2005年4月30日
发明者李圣雨, 吴应世, 宋成一, 郭贵日, 金石坤 申请人:韩国电力公社