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)模自動化實時控制網(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，網(wǎng)絡(luò)負荷變大，各個節(jié)點的負荷也相應(yīng)增加，傳送數(shù)據(jù)的實時性受到嚴重影響，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，通過廣播或點播查詢的方式進行數(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控制系統(tǒng)化整為零，分解為多個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)相互獨立，各個子系統(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)成一個子系統(tǒng)，多個子系統(tǒng)之間再通過過程數(shù)據(jù)網(wǎng)進行交互。這樣的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架可以實現(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)進行連接。這樣一是時效性受到很大影響，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)點連入網(wǎng)絡(luò)進行控制，但是由于各部分的相互獨立，其實就是第一種方案的簡單擴大，未實現(xiàn)真正意義的大規(guī)模控制。
對于大規(guī)?？刂葡到y(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，不可能進行大量數(shù)據(jù)的傳輸，對系統(tǒng)控制的時效性影響很大。

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)實時性、可靠性、網(wǎng)絡(luò)負荷、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現(xiàn)各個過程控制網(wǎng)間的互連，能夠根據(jù)多播管理協(xié)議實現(xiàn)對多播數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和過濾，從而實現(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)和實時數(shù)據(jù)；控制站用于直接與現(xiàn)場打交道的I/O處理單元，完成整個工業(yè)過程的實時監(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)的人機系統(tǒng)環(huán)境；至少一個所述控制站通過一個過程控制網(wǎng)劃分在同一組，與相連的過程控制網(wǎng)構(gòu)成一個控制域，至少一個操作站與另一個與所述操作站相連的過程控制網(wǎng)構(gòu)成一個控制域；所述多個控制域中的控制站和多個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)與遠端節(jié)點相連。
所述遠端節(jié)點可包括用于備份過程數(shù)據(jù)的服務(wù)器和用于實時顯示和上報過程數(shù)據(jù)的應(yīng)用站。
所述操作域還可包括維護站，所述維護站用于實現(xiàn)系統(tǒng)維護，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)點可采用兩個控制站冗余配置，兩個控制站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，各個域在過程控制網(wǎng)層通過多播交換機進行互連，構(gòu)成統(tǒng)一的過程控制網(wǎng)，將各個操作域和控制域隔離開來，各控制域的實時數(shù)據(jù)傳輸不影響其他域的網(wǎng)絡(luò)負荷，當(dāng)其他操作域需要該控制域數(shù)據(jù)時，又可以通過對操作域進行簡單配置來實現(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時多播數(shù)據(jù)，因此控制站不受所在控制域內(nèi)其他實時多播數(shù)據(jù)的影響，大大降低了控制站的節(jié)點負荷。


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，人為劃分為三個操作域和三個控制域，分別為1#、2#、3#操作域，1#、2#、3#控制域，各個域相對獨立，各域內(nèi)各節(jié)點通過普通交換機連接，通過域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)域內(nèi)數(shù)據(jù)交互。各個域之間在過程控制網(wǎng)層通過多播交換機進行互連，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)和實時數(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，并可同時監(jiān)控多個控制域的邏輯分域。所述操作域中包括至少一個操作站，所述操作站是可由工業(yè)PC機、CRT、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機等組成的人機交互系統(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站、服務(wù)器，所述維護站是為專業(yè)工程技術(shù)人員設(shè)計的，也可稱為工程師站，內(nèi)裝有相應(yīng)的系統(tǒng)維護工具，用作對系統(tǒng)進行適時的維護和更新。所述服務(wù)器用于存放系統(tǒng)運行過程中的各項歷史記錄、故障記錄、操作記錄等。所述操作域內(nèi)的各節(jié)點，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或路由器連接在一個獨立的過程控制網(wǎng)中實現(xiàn)互聯(lián)。
所述控制域是根據(jù)現(xiàn)場控制工藝將多個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或路由器連接在一個獨立的過程控制網(wǎng)中實現(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)備實現(xiàn)的互聯(lián)，從而完成整個工業(yè)過程的實時監(jiān)控功能。
所述多播交換機分別與上述各控制域和操作域中的各個獨立的過程控制網(wǎng)互連，能夠根據(jù)多播管理協(xié)議(IGMP)實現(xiàn)對多播數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)和過濾，從而實現(xiàn)不同域間多播數(shù)據(jù)的交互。所述多播交換機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)送機制，一是定時向所述多播交換設(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，也可以及時刷新所述組態(tài)成員列表，從而在隨時靈活調(diào)整多播組組態(tài)成員的同時保證多播傳輸?shù)目煽啃浴?br> 各個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、值長站和其他遠端節(jié)點等與現(xiàn)場各個操作域中的操作站、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端后實現(xiàn)組態(tài)拷貝、故障報警記錄拷貝備份、實時數(shù)據(jù)上報顯示等。所述各遠端控制節(jié)點與所述操作域之間的管理型數(shù)據(jù)、以及各個操作域之間的數(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描述。
首先，通過對有多播功能的交換機進行支持多播傳輸功能和IGMP協(xié)議功能的配置，可以實現(xiàn)交換機的多播管理功能；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)，并在接收進程啟動時發(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也向所述多播交換機發(fā)出IGMP數(shù)據(jù)包，多播交換機只要收到一個節(jié)點發(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)點所在的端口，而隨后只需回應(yīng)多播交換機發(fā)出的多播查詢數(shù)據(jù)，對多播路由表進行實時刷新。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。
多播交換機根據(jù)上述IGMP數(shù)據(jù)的配置，通知多播交換機進行數(shù)據(jù)多播轉(zhuǎn)發(fā)，將1#操作域需要的1#、2#控制域多播實時數(shù)據(jù)，通過所述多播交換機轉(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)場多播交換機可能被臨時更換，如果只是上電發(fā)一次IGMP數(shù)據(jù)包，在交換機更換后交換機的多播路由表不能及時被刷新，因此可以采用定時發(fā)送的方式，即所述各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定時向所述多播交換機發(fā)送IGMP數(shù)據(jù)包，刷新所述多播路由表，但所述定時發(fā)送周期沒有嚴格的要求，一般可為3～5s；此外，考慮到很難判斷多播交換機某端口下的網(wǎng)段內(nèi)有多少個節(jié)點，因此可以采用所有節(jié)點都響應(yīng)查詢的方式。
這樣，各操作域?qū)刂朴虻谋O(jiān)控可以獨立控制，不受其它域影響，同時多播交換機根據(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，同時監(jiān)控所需的一個或多個控制域的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了操作域?qū)Σ煌刂朴蚪M合進行數(shù)據(jù)監(jiān)控的功能，在數(shù)據(jù)通訊過程中主要的實時數(shù)據(jù)和站間交互等數(shù)據(jù)通過多播的方式進行，能夠確保各域只接收自己需要的數(shù)據(jù)，在保證了實時數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)耐瑫r，對多個域的控制不必通過廣播的方式發(fā)送到各節(jié)點，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)間的負荷和節(jié)點負荷。
當(dāng)其他域需要該域數(shù)據(jù)時，又可以通過對操作域進行簡單配置來實現(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，通知多播交換機其所在端口加入2#、3#控制域所在多播組，多播交換機將2#、3#控制域的多播實時數(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，通知多播交換機接收全部三個控制域的實時多播數(shù)據(jù)，所述多播交換機就會將1#、2#、3#控制域的所有多播實時數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)發(fā)給3#操作域，從而實現(xiàn)3#操作域?qū)φ麄€網(wǎng)絡(luò)中的各個控制站數(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)以及多播交換機的隔離，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的有效利用。而且，由于各個域的相對獨立，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上某個域節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，不會波及到整個網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)故障的有效隔離。
進一步的，當(dāng)需要進行控制站之間的通訊時，所有控制站向所述多播交換機發(fā)送同一IGMP多播管理數(shù)據(jù)，加入到同一多播組中，當(dāng)控制站要進行控制站間通訊時，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等。
數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點采用以太網(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，都需維護路由表，通過ARP數(shù)據(jù)包實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點路由表的維護和更新。為確保路由表的正確和及時刷新，工程師站、操作站和控制站具備兩套ARP發(fā)送機制，一是由過程控制網(wǎng)內(nèi)所有的各個終端，向整個過程控制網(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)點路由表以及判斷是否有重復(fù)節(jié)點，二是工程師站、操作站和控制站回應(yīng)上述廣播或點播的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(CRC校驗)，例如發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)包時，網(wǎng)絡(luò)芯片會自動在數(shù)據(jù)包后添加4個字節(jié)的CRC校驗，由于ARP的傳輸都是端到端的(即一到一或一到多)，交換機只轉(zhuǎn)發(fā)接收的數(shù)據(jù)包，而不做處理，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達接收端后，再由接收端對所述CRC校驗進行判斷，從而解決以太網(wǎng)通訊線路上因干擾引起錯包的檢驗問題。
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)點設(shè)置，將各個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的不同設(shè)置，實現(xiàn)對IP地址的廣播、多播、點播混用的方式。由于在物理層網(wǎng)絡(luò)連接的保證，網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點到節(jié)點的點播數(shù)據(jù)傳輸可以得到保證；并且由于各節(jié)點在同一子網(wǎng)內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)可以被所有節(jié)點接收。
傳輸層由于采用了IP地址多播的方式，傳輸層采用UDP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。UDP協(xié)議的優(yōu)勢在于傳輸速度快、時效性好，適合實時數(shù)據(jù)的傳輸。
為保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?，所述過程控制網(wǎng)上各節(jié)點采用雙網(wǎng)冗余的方式進行連接，相應(yīng)過程控制網(wǎng)上各交換機也采用雙網(wǎng)冗余的配置。數(shù)據(jù)發(fā)送時，節(jié)點采用一包數(shù)據(jù)雙網(wǎng)同時發(fā)送的方式；數(shù)據(jù)接收時，節(jié)點接收兩個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，取其中一包進行處理。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?。?dāng)一個網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)斷線、網(wǎng)絡(luò)堵塞等問題時，另一個網(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，如控制站等，采用冗余配置的方式，即一個控制節(jié)點采用兩個控制站冗余配置，冗余的兩個控制站看做兩個網(wǎng)絡(luò)終端，兩個控制站IP地址相鄰(圖中未做標(biāo)示)。在IGMP多播管理上，冗余的兩個控制站都定時發(fā)送IGMP加入數(shù)據(jù)包，也都響應(yīng)IGMP查詢包，正常工作時，其中一個控制站為工作狀態(tài)，進行正常的控制及接收發(fā)送；另一個控制站處于備用狀態(tài)，不參與控制，也不發(fā)送實時數(shù)據(jù)，只是將工作站的數(shù)據(jù)及時拷貝過來備分。當(dāng)原工作控制站出現(xiàn)問題時，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)其中一個控制站出現(xiàn)問題時，可以及時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)實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊?br> 對于點播查詢類數(shù)據(jù)，各域由于通過多播交換機連接，且整個過程控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點IP在同一子網(wǎng)內(nèi)，域間的點播數(shù)據(jù)只要根據(jù)IGMP多播管理數(shù)據(jù)的配置，再通過多播交換機轉(zhuǎn)發(fā)，無須網(wǎng)關(guān)處理即可實現(xiàn)。控制站間通訊不需要再通過過程數(shù)據(jù)網(wǎng)，實效性和安全性大大加強。
同時，在節(jié)點到節(jié)點網(wǎng)絡(luò)連接的創(chuàng)建中，需要通過ICMP協(xié)議的PING包確認目標(biāo)節(jié)點是否存在，當(dāng)發(fā)起端遇到數(shù)據(jù)無法訪問目標(biāo)、交換機無法按當(dāng)前的傳輸速率轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包等情況時，會通過自動發(fā)送ICMP消息進行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)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，可能出現(xiàn)發(fā)送不成功的問題，網(wǎng)絡(luò)負荷越重，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，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，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，認為該數(shù)據(jù)已失效，丟棄，接著發(fā)送下一數(shù)據(jù)。該機制的優(yōu)點是可以避免網(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發(fā)送不同的多播管理數(shù)據(jù)，可以隨時靈活調(diào)整多播組組態(tài)成員，從而實現(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)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(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現(xiàn)各個過程控制網(wǎng)間的互連，能夠根據(jù)多播管理協(xié)議實現(xiàn)對多播數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和過濾，從而實現(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)和實時數(shù)據(jù)；控制站用于直接與現(xiàn)場打交道的I/O處理單元，完成整個工業(yè)過程的實時監(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)的人機系統(tǒng)環(huán)境；至少一個所述控制站通過一個過程控制網(wǎng)劃分在同一組，與相連的過程控制網(wǎng)構(gòu)成一個控制域，至少一個操作站與另一個與所述操作站相連的過程控制網(wǎng)構(gòu)成一個控制域；所述多個控制域中的控制站和多個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)與遠端節(jié)點相連。
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)，其特征在于所述遠端節(jié)點包括用于備份過程數(shù)據(jù)的服務(wù)器和用于實時顯示和上報過程數(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站，所述維護站用于實現(xiàn)系統(tǒng)維護，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)點采用兩個控制站冗余配置，兩個控制站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)模自動化實時控制網(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)劃分為多個操作域和控制域，各個域在過程控制網(wǎng)層通過多播交換機進行互連，構(gòu)成統(tǒng)一的過程控制網(wǎng)，將各個操作域和控制域隔離開來，各控制域的實時數(shù)據(jù)傳輸不影響其他域的網(wǎng)絡(luò)負荷，當(dāng)其他域需要該域數(shù)據(jù)時，又可以通過對操作域進行簡單配置來實現(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)負荷也大大降低了。并且由于控制站不接收實時多播數(shù)據(jù)，因此控制站不受實時多播數(shù)據(jù)的影響，大大降低了控制站的節(jié)點負荷。
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:中控科技集團有限公司, 浙江大學(xué)