吳勝華，田海波，王丹麟

DCS過(guò)程控制站內(nèi)IO模件地址重疊識(shí)別方法

吳勝華，田海波，王丹麟

（南京國(guó)電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，南京 210032）

介紹了一種可用來(lái)監(jiān)測(cè)分散控制系統(tǒng)（DCS）過(guò)程控制站內(nèi)IO模件地址發(fā)生重疊錯(cuò)誤的實(shí)用電路，分析了電路原理并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，該電路運(yùn)行效果良好。

分散控制系統(tǒng)；IO模件；比較電路；地址重疊

1 技術(shù)背景

分散控制系統(tǒng)（DCS）是一種集控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體的新型控制系統(tǒng)，而過(guò)程控制站是DCS的中央處理單元，是DCS的核心部件，其主要由過(guò)程控制器（DPU）和站內(nèi)的各種IO模件組成。它通過(guò)和站內(nèi)IO模件交換數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)采集和控制；一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)IO模件在此過(guò)程控制站內(nèi)都分配有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的地址，過(guò)程控制器一般都通過(guò)這些地址來(lái)實(shí)現(xiàn)和站內(nèi)IO模件的數(shù)據(jù)交換。

2 現(xiàn)況分析

過(guò)程控制器要實(shí)現(xiàn)和站內(nèi)IO模件的數(shù)據(jù)交換，需要處理如下幾種情況。

（1）站內(nèi)IO模件地址設(shè)置不正確，不在過(guò)程控制器配置列表中，則此IO模件不響應(yīng)過(guò)程控制器的通信，過(guò)程控制器將不能和此IO模件進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)交換。

（2）站內(nèi)IO模件地址設(shè)置正確，但類(lèi)型設(shè)置不正確，過(guò)程控制器可以根據(jù)通信報(bào)文中的類(lèi)型與過(guò)程控制器內(nèi)對(duì)應(yīng)地址配置的類(lèi)型是否匹配來(lái)識(shí)別。

（3）站內(nèi)IO模件地址設(shè)置重疊，但地址重疊的模件類(lèi)型不相同，此時(shí)，地址配置正確的IO模件數(shù)據(jù)讀寫(xiě)正常，地址配置錯(cuò)誤的IO模件不能正常讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，但兩種模件之間的數(shù)據(jù)互不影響。

（4）站內(nèi)IO模件地址設(shè)置重疊，而且地址設(shè)置重疊的模件類(lèi)型相同，此時(shí)，地址配置錯(cuò)誤的IO模件數(shù)據(jù)將會(huì)影響到地址配置正確的IO模件數(shù)據(jù)，這樣會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備帶來(lái)很大的危險(xiǎn)。

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中，即使發(fā)生上述異常情況也能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而且調(diào)試過(guò)程中設(shè)備也未全部運(yùn)行，故帶來(lái)的危險(xiǎn)較?。坏谙到y(tǒng)商業(yè)運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生IO模件損壞而更換新的IO模件時(shí)，如果維護(hù)人員粗心將新的IO模件地址設(shè)置錯(cuò)誤，造成上述第4種異常情況出現(xiàn)，輕者將引起系統(tǒng)停運(yùn)，重者將損壞現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，給用戶帶來(lái)重大損失。

現(xiàn)在流行的DCS，部分通過(guò)IO模件通信是否正常或過(guò)程控制器比對(duì)IO模件回傳通信報(bào)文中帶有的相關(guān)信息來(lái)判斷；而對(duì)于同類(lèi)型IO模件發(fā)生地址重疊的情況，通過(guò)通信來(lái)預(yù)防和判斷IO模件地址重疊將大大增加通信的復(fù)雜程度，不利于保持過(guò)程控制站通信的實(shí)時(shí)性，會(huì)降低整個(gè)過(guò)程控制站的控制效果。因此，部分DCS廠家對(duì)于此類(lèi)異常情況未做有效措施，僅在說(shuō)明書(shū)中重點(diǎn)要求嚴(yán)禁將IO模件地址設(shè)置重疊。

3 設(shè)計(jì)方案

為避免因過(guò)程控制站內(nèi)IO模件地址重疊而對(duì)設(shè)備造成損害，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用電路，如圖1所示（圖中：實(shí)線表示IO通信網(wǎng)絡(luò)；虛線表示IO模件地址重疊識(shí)別電路連線）。

圖1 過(guò)程控制站配置架構(gòu)

（1）過(guò)程控制器和IO模件之間通過(guò)專用IO通信網(wǎng)絡(luò)連接，過(guò)程控制器和各個(gè)IO模件之間通過(guò)特定的IO模件地址重疊識(shí)別電路連接。

（2）連接在此專用通信網(wǎng)絡(luò)上的IO模件地址需要不同設(shè)置。

（3）連接在此專用通信網(wǎng)絡(luò)上的IO模件都需要在過(guò)程控制站進(jìn)行配置，配置信息包括IO模件地址和類(lèi)型等內(nèi)容。

（4）過(guò)程控制器按照配置好的IO模件信息來(lái)訪問(wèn)這些IO模件，訪問(wèn)數(shù)據(jù)中需要包含IO模件的地址信息。

（5）過(guò)程控制器訪問(wèn)任意一個(gè)IO模件時(shí)，被訪問(wèn)到的IO模件（根據(jù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)中的地址是否和自身匹配來(lái)確定是否訪問(wèn)到自己）將通過(guò)通信報(bào)文回傳自己的數(shù)據(jù)和類(lèi)型，同時(shí)將對(duì)應(yīng)的IOn_ACK設(shè)置為高電平。

4 電路分析

IO模件地址重疊識(shí)別電路如圖2所示，圖2中：標(biāo)注為“DPU內(nèi)電路”在DPU內(nèi)實(shí)現(xiàn)；標(biāo)注為“IO模件n電路”在各個(gè)IO模件內(nèi)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)IO模件內(nèi)的電路一樣。

圖2 IO模件地址重疊識(shí)別電路

（1）當(dāng)MACK輸出為0時(shí)，比較器正端電壓為7.42V，當(dāng)MACK輸出為1時(shí)，因?yàn)镽6的電阻遠(yuǎn)大于R5，故比較器正端電壓將略微上升一點(diǎn)，上升幅度基本可忽略不計(jì)。

（2）當(dāng)IO總線上沒(méi)有IO模件響應(yīng)時(shí)，即任意一個(gè)IOn_ACK為零時(shí)，比較器負(fù)端計(jì)算電壓為10.75V；此時(shí)負(fù)端電壓高于正端電壓，比較器輸出為零。

（3）當(dāng)IO總線上只有一個(gè)IO模件響應(yīng)時(shí)，假設(shè)模件1響應(yīng)，則IO1_ACK為5V，此時(shí)模件1內(nèi)電路為電壓跟隨電路，三極管工作在放大區(qū)，則三極管的集電極電流為8.14mA（按PN結(jié)壓降為0.7 V計(jì)算）。

（4）當(dāng)IO總線上只有一個(gè)IO模件響應(yīng)時(shí)，可計(jì)算出此時(shí)負(fù)端電壓為8.46V，大于正端電壓7.42 V，故此時(shí)比較器輸出MACK依然為0。

（5）當(dāng)IO總線上有2個(gè)IO模件響應(yīng)時(shí)，可計(jì)算出此時(shí)負(fù)端電壓為6.21V，此時(shí)負(fù)端電壓小于正端電壓，故比較器輸出MACK將變?yōu)?。

（6）當(dāng)IO總線上IO模件響應(yīng)數(shù)量超過(guò)2個(gè)時(shí)，負(fù)端電壓將變得更小，比較器輸出MACK輸出依然為1。

（7）DPU通過(guò)檢測(cè)比較器輸出MACK的狀態(tài)則可迅速判斷IO總線上是否有IO模件地址重疊，從而執(zhí)行相應(yīng)的措施。

利用簡(jiǎn)單的比較電路，既可保證準(zhǔn)確地識(shí)別過(guò)程控制站內(nèi)IO模件地址重疊的異常狀況，又可保證整個(gè)過(guò)程控制站的控制效果。

5 實(shí)踐結(jié)果

上述電路使用LTspice IV仿真軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 電路仿真結(jié)果

在圖3中：線1表示比較器正端電壓；線2表示比較器負(fù)端電壓，電壓值隨著IO模件響應(yīng)數(shù)量的變化而發(fā)生改變；線3表示比較器輸出MACK的狀態(tài)，當(dāng)兩個(gè)IO模件同時(shí)響應(yīng)時(shí)狀態(tài)變?yōu)?。路的DCS已成功鑒別多起實(shí)際發(fā)生的IO模件地址重疊事件，保證了應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定。

（本文責(zé)編：白銀雷）

6 結(jié)束語(yǔ)

上述電路目前已在實(shí)際DCS中實(shí)現(xiàn)，使用本電

TM 743

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：1674-1951（2015）03-0029-02

吳勝華（1977—），男，湖北荊門(mén)人，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，從事分散控制系統(tǒng)研發(fā)方面的工作（E-mail：shenghua-wu＠sac-metso.com）。

2014-07-10；

2015-01-07