多机组控制系统网络配置优化方案应用

摘要：由于DCS系统在全厂设备中的核心地位，国内诸多的电厂DCS系统采用进口设备，对进口DCS系统的软件和硬件的设置和配置了解都不够深入，很难在技术上有所突破，很多方面都受制于人，更不会轻易对网络结构进行改造和设置，DCS系统网络配置优化改造项目的实施，是对西门子网络设计的一次突破和改良，更是是对最初设计的一次全面优化，在技术上也是一次巨大的创新。

关键词：TXP;OSM/ESM;网络屏蔽

1系统概述

某电厂一期工程4×600WM机组DCS系统采用西门子TXP系统，4台机组从2005年底相继投入商业运行.其中伴随2号机组的公用系统最早投入使用。DCS系统在单元机组上层分别配置了3对PU过程服务器，1对SU历史数据存储服务器和5台OT操作员站，同时配置一台ES680工程师站，公用系统配置辆1对PSU服务器。TXP系统采用双层虚拟环网技术，快速以太网结构，网络节点采用多个OpticalSwitchMoudle（OSM）ITP62连接，其中工厂总线网络负责现场数据数据的采集和运算处理的通讯工作，终端网络负责反馈设备运行状态和接收手动操作指令的基本工作等。

在DCS系统的配置方面，4台单元机组和公用系统分别采用1套DCS系统，同时为能实现4台机组对公用系统设备操作监控的基本功能，设计了单元机组通过DCS系统终端网络分别和公用系统终端网络互联互通，达到报警信息能同时触发，并且能同时操作公用系统设备的目的。而工厂总线网络则只与2号机组总线网络连接，且设置单向传输方式，同时公用系统数据库和2号机组公用1台ES680工程师站。由于各个单元机组终端网络结构通过OSM与公用系统终端网络连接的特殊性，造成了4台机组相互之间的互通互联，在特定情况下极易造成单元机组网络故障扩大影响到其他单元机组包括公用系统。为解决这一潜在隐患，必须对终端网络进行改造，并且屏蔽隔离某些设备，限制终端网络之间服务器的相互干扰。

2 TXP系统网络（LAN）结构功能介绍

西门子TXP系统在AP与OM650系统各部份间的通讯（LAN），是以SINEC H1 总线为基础的，通讯速度达到100Mbits/s。

在物理上，它可以由同轴铜线或者光缆来连接。两者间对电报的处理是一样的。SINEC H1 FO最大允许使用距离为4300米，除此以外，SINEC H1 FO还具有抗磁性、抗电性，能与电流隔绝。SINEC H1 FO增加了虚拟环的单容错的可靠性。系统的所有OSM连接成一个环结构，并在某一点中断开。在这断开点处所有从两边到达的信号都会被全天候监视着。如果一边的信号消失或断开，即为故障产生，断开点自动闭合，于是重新形成了一个有效路径。当故障排除后，‘虚拟环将再次被激活，闭合点断开。

在网络总线中，终端总线是连接OM650的PU、SU及OT的高速数据总线为工业以太网，遵循ISO/OSI的层结构建立起来的国际标准通讯协议，其总线是通过光缆建立的局域以太网，采用IEEE802.3标准的CSMA/CD协议，传输速率为100M bit/s。

总线系统由若干个OSM（OpticalSwitchMoudle）模件组成。OSM模件为光缆总线接口总站，带有自己的电源，通过OSM模件，T-XP系统的各成员以星型结构连接在一起。

OSM的每个端口都能监测诊斷接收到的数据包，并将其计数累加。监视的内容包括：

1、CRC：循环冗余校验; 2、Jabbers：无效的CRC; 3、Under size：数据位数不够; 4、Over size：数据位数超标; 5、Collisions：信息冲突

OSM模件具有下述特点：两套独立的电源，LED诊断，通过信号开关报告故障，远程管理。

工厂总线（PLANTBUS）承担DCS系统各子系统间（AS620、OM650、ES680）的通讯任务，工厂总线的原理与终端总线完全一样，仅其接口模件的数量及类型因其所挂用户不同而有所不同。

TELEPERM XP中与装置总线相连的各个系统之间进行通信所用的协议 如下表

3 网络配置优化前公用系统和单元机组终端网络连接状态和存在的问题

全厂最初设计采用4台机组采用独特的四机一控结构，运行集控中心突破传统的现场布置方式，将4台机组集控中心统一放置在汽轮机平台前面，为运行人员营造了更加安静的工作空间。同时相应的DCS系统网络也采用了四机一控的分布方式，即公用系统网络通过冗余的网桥分别和4台机组网络互联互通。其简单拓扑结构图如下（一）

这种连接方式，不仅实现了4台机组可以同时操作和监控公用系统设备，而且因为每台机组都采用冗余网桥结构，物理结构上极大的提高了系统网络的可靠性。但与此同时，也存在了相当大的弊端，一方面4台机组运行人员都可以同时操作公用系统，极易出现不同机组之间的抢操和误操，为了保证这些人为因素的不出现，有运行人员制定相应制度来消除这方便的隐患。另外一方面，由于西门子网络结构的本身特性，极易造成公用系统和单元机组网络堵塞，且事故可能扩大影响到其他机组，在采用的冗余网桥设备上存在较大的安全隐患。

冗余网桥短接线在实现单元机组和公用系统之间的通讯连接上起到了直观关重要的作用。在OSM作为节点的网络设备上，与外网实现冗余方式连接必须要使用短接线，并且接在端口Port1上。然后在OSM上对拨码开关进行相应的设置，从而到达冗余网桥通讯的主从之分。

某电厂从2009年开始关注TXP系统网络问题，并收集各方面资料，从2010年初开始立项研究对西门子TXP系统终端网络结构的改造和完善，同时，也是解决安全隐患的需要。2010年3月份，国华公司联合系统内多家电厂在南京西门子电站公司召开关于网络隐患治理的专题会议，与会的各个电厂DCS系统都是采用同样或者是类似配置，同时，参加会议的有西门子系统的中国专家组，会议过程中就对系统网络的改造展开激烈的辩论，经过两天的会议，最终由于各个方面原因未能达成共识，但要求在随后利用有限时间搭建TXP系统网络仿真平台，模拟试验单元机组和公用系统之间网络设置和结构改变所造成的影响。

2010年3月份在某电厂2号机组C203检修过程中，搭建公用系统和单元机组网络仿真平台，同时，请到西门子专家共同研究，经过两天的试验，并结合同行的交流经验，分析西门子TXP系统终端网络结构特点，认为对于OSM节点的网络节点，在取消主从设置已经RM设置后，可以将冗余的网络改为单网形式，其次，在特定的设备网络通讯端口，同时没有设置STANDBY的OSM设备上可以通过填写静态列表实现对网络上设备的屏蔽隔离。考虑到网络结构的复杂性，试图从有限的资料中找到有关设置，但说明书深度非常浅显，这给我们真正的实施造成很大的压力。在应用实践方面，国华公司也出面到多家电厂考察参考，但都没有相似或者是相同的设置经验。综合考虑各方面的因素，决定编写详细的方案后在机组检修期间，进行在线优化试验。

优化的主要内容包括：终端网络设备结构改变的安全操作方式，端口屏蔽设置点的选择，软件设置操作方法，应该的注意事项，已经应用效果评估，系统风险等级，系统试验与测试等

其中确定的关键技术主要有：

1）確定单元机组终端网络与公用系统终端网络采用单网桥方式连接的安全性和可靠性

2）单元机组终端网络与公用系统终端网络采用单网桥方式连接的安全可靠情况下，再对单元机组的OSM进行端口屏蔽，确定屏蔽的有效性.和单元机组的终端网的安全可靠性.

3）评估其推广应用的可行性

3 网络配置优化主要的技术创新方面

改造前后冗余网桥的网络拓扑结构

3.1取消终端网络的冗余结构配置

TXP系统终端网络采用ESM/OSM做为网络节点，使用光纤电缆连接，通过网桥耦合虚拟环，开放通讯，以太网访问模式，并且总线采用 TCP/IP 协议，遵循ISO/OSI 规约结构，与公共网使用网桥联接每台机组，具有单容错方式，高可用率。其冗余采用二选一方式，通过人工设置主从关系来实现，正常情况下，主侧线路运行，从侧线路备用，在端口监视到主侧线路故障后，从侧线路自动与其连接，从而实现网络的安全稳定。此次项目实施过程，首先将单元机组和公用系统完全隔离，取消主从设置后，使用单根网络实现单元机组和公用系统的连接。

3.2通过设置静态列表屏蔽隔离4台机组之间网络互联互通功能

静态列表功能是通过软件设置来实现，西门子网络节点中都可以采用该设置，通过有目的性的设置静态列表，达到的有针对性的网络信息屏蔽隔离，从而能有效的阻止4台机组之间的网络互通。

4 网络优化前后对比

（1）取消冗余连接方式后，同时也取消了冗余短接线，在很大程度了减少了由于短接线的故障造成网络瘫痪的可能性，消除了DCS系统重大隐患，提高了系统的安全可靠性。

（2）取消单元机组和公用系统之间连接线的冗余连接后，让机组之间的冗余配置更加合理，盘柜网络接线连接更加简洁，清晰，明了，便于单元机组的检修。

（3）有目的的屏蔽对单元机组之间通过共用系统连接，改变网络连接的随意性，有效保证网络负荷在正常的标准

（4）优化应用后，外系统与DCS系统单元机组和共用系统通讯连接出现的问题明显减少，四机一控的网络更加安全可靠。

5 网络配置优化过程中遇到的问题分析和对策

（1）在对冗余网桥的改造过程中，由于涉及到公用系统，同时机组多数在运行状态，所有改造过程的操作要相当的小心，为保证改造操作的顺利和安全进行，我们提前制定了详细的DCS系统应急预案，成立实施操作指挥组、执行组、紧急抢修组，并会同运行人员做好相应的应急准备。为保证安全，一定要提前搞清楚网络节点的每一跟连接线，防止误动造成不可预计的后果。由于没有准确的评估网络通讯正常的标准，在对局部进行改造后，要严格按照事先的顺序，一步一步操作，并要有专人负责对网络负荷的检查。

（2）OSM上设置端口屏蔽只能在单网桥方式进行，在冗余网桥结构中，是不能实现这一功能。同时，在OSM上能够检测到通过信息的数量和丢失数据的信息，以初步判断网络状态

（3）在虚拟环网中，不要对RM设置的 OSM进行端口屏蔽操作，如果单元机组和公用系统通讯连接的OSM正好被设置为RM时，不能进行端口屏蔽操作，需要到其他OSM上进行。

（4）需要注意的是在冗余网桥配置下的网络上，是不能对OSM进行屏蔽优化工作的。

6 结束语：

本项目结合应用人员长时间的经验总结积累，经多方面专家和同行的交流，讨论，最终确定实施方案，成功应用实施，至今全厂DCS系统设备运行平稳可靠，单元机组和公用系统通讯连接出现的问题明显减少，四机一控的网络更加安全可靠。

参考文献

[1] TELEPERM XP OSM总线手册   南京西门子公司提供

[2] TXP系统维护手册       南京西门子公司提供（随机资料）

[3] DL/T 659-2006《火力发电厂分散控制系统验收测试规程》

[4] DL/T 774-2004《火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程》

[5] 《以太网标准IEEE802.3》

作者简介：张丁月，性别：男，出生年月：1982年09月，籍贯：河南省南阳市，学历：本科。

（作者单位：神华国华孟津发电有限公司）