基于CS3000 系统的联网设计与实现

盛 晖

（中国石油克拉玛依石化公司动力厂）

某石化动力厂采用3 套CS3000 系统对锅炉和汽机车间的设备进行控制。3 套系统的硬件、软件和网络系统差别很大。 为了实现CS3000 系统的集中控制和指定操作站对其他各域数据的调用功能，为今后优化自动控制奠定基础，并实现各控制系统在通信上联系但在物理上独立的功能，必须对CS3000 系统进行联网改造。 联网过程主要包括备份参数、修改同名、软硬件升级、扩展节点、增加设备和拆分项目7 部分。 因为动力厂的装置无法全部同时停工，因此联网必须采用分阶段和分步进行的解决方案，确保任何一个项目的实施都不影响其他项目的正常运行。

1 联网前的情况

2001 年1 月投用的3#锅炉控制系统和公用部分控制系统采用1 台AFS10D 型控制站，配置4 台操作站（软件版本CS3000（R2.20），操作站采用的系统），操作系统是Windows NT，通信协议均采用双层冗余网络结构，Vnet 网主要实现控制器与操作站间的通信。 Ethernet 网用于操作站之间的通信。

2004 年7 月投用的1#、2#锅炉控制系统采用2 台AFS40D 型控制站， 配置7 台操作站，操作站采用的系统软件版本号为CS3000（R3.04），操作系统是Windows XP， 通信协议均采用双层冗余网络结构，Vnet 网主要实现控制器与操作站之间的通信。 Ethernet 网用于操作站之间的通信。

2009 年10 月投用的4#锅炉控制系统和公用部分控制系统采用2 台AFV10D 型控制站，配置4 台操作站，操作站采用的系统软件版本号为CS3000（R3.08），操作系统是Windows XP，通信协议均采用双层冗余网络结构，控制器与操作站以及操作站之间的通信均采用Vnet/IP 协议。

2 联网难点

联网的难点是要求实现各项目的CS3000 系统在通信上相互联系， 但在物理上又相互独立，也就是要求指定操作站能够调用其他域的数据，同时要求各项目的组态软件能够单独在线下装且各项目检修时不影响其他项目的正常运行。

3 联网的总体设计

3.1 拆分项目

1#、2#锅炉原为独立的一套系统，在组态时由一个项目完成。 本次联网需要将它分为两个项目，增加1 个工程师站，变为两套独立的系统，1#、2#锅炉各自使用独立的工程师站并设立各自独立的项目，以便分别工作，互不影响。 同时对系统之间的硬件部分进行连接并各自离线下装。

3.2 划分域

根据CS3000 系统的技术要求和本次联网的目的， 将各联网后的系统分为7 个域，1#锅炉控制站作为1#域，1#锅炉操作站作为2#域；2#锅炉控制站作为3#域，2#锅炉操作站作为7#域；3#锅炉和部分公共系统控制站作为5#域，3#锅炉操作站作为6#域；4#锅炉和部分公共系统的控制站和操作站作为4#域。同时将硬件地址做相应修改并离线下装。

3.3 联网的时间要求

提前做好参数备份和修改同名工作，提前敷设光缆和熔纤。 在各项目独立检修时进行软件升级、硬件升级、扩展节点及增加设备等工作。 在具备联接条件时将各CS3000 系统通过三层交换机进行联网。

3.4 联网的技术要求

首先，所有操作站安装Windows XP 和VI701型横河专用通信网卡，同时保证组态软件版本一致，才能实现各CS3000 系统之间的联网。

由第1 节联网前的情况简介可知，要实现联网需要更换3#锅炉CS3000 系统的操作站， 使之能够运行Windows XP 系统。同时将1#、2#和3#锅炉CS3000 系统组态软件的版本升级至R3.08，并更换其操作站内横河专用的通信网卡。 其次增加3 个域控制器作为Vnet 和Vnet/IP 网络的连接，增加1 对三层交换机用于各域之间的通信数据管理。 最后因双绞线传输距离超过100m 就无法保证信号质量， 原控制室与集中控制室距离约400m，超出双绞线的传输能力，为保证传输信号质量，本次改造选用光缆连接。

3.5 变更操作站

将1#DCS 和2#DCS 机柜间的外面作为汽机车间外操间，布置1#汽轮机操作站（HIS0260）、2#汽轮机操作站 （HIS0760） 和公共系统操作站（HIS0661）。

将原3#锅炉控制室作为锅炉外操室，并分别布置1#锅炉操作站 （HIS0259）、2#锅炉操作站（HIS0759）、3#锅炉操作站（HIS0662）和4#锅炉操作站（HIS0461）。

其余的操作站和工程师站（HIS0261、HIS0262、HIS0263、HIS0264、HIS0459、HIS0460、HIS0462、HIS0463、HIS0464、HIS0660、HIS0663、HIS0664、HIS0761、HIS0762、HIS0763、HIS0764）全部布置到集中控制室。

3.6 安装多项目软件包

将 4 个 工 程 师 站（HIS0264、HIS0764、HIS0664、HIS0464） 和2 个操作站 （HIS0661 和HIS0463）用于监控公共系统，并将这6 个站安装多项目软件包，以便实现各域通信上的联系。

3.7 建立镜像站

在每个项目工程师站组态软件中建立的其他项目中安装多项目软件包镜像站，以便监控其他域的数据库。

4 联网增加的设备

4.1 域控制器

域控制器的作用是将Vnet 协议转换为Vnet/IP 协议，并将同轴电缆接口转换为RJ45 接口。对不同域的CS3000 系统进行管理， 实现各项目间数据的交换和处理。

域控制器有两个互为冗余的BCV 模块，其中红色部分是域和站的地址拨码开关，每个模块分为左右两侧进行拨码设置。以该动力厂3#锅炉的域控制器为例，模块的左侧为采用Vnet 协议的域和站的地址设定区域，拨码为域5 站13；右侧为采用Vnet/IP 协议的域和站的地址设定区域，拨码为域6 站13；在组态软件中域控制器的属性须设定成BCVV0613。

4.2 L2 交换机

L2 交换机即双层交换机。工作流程是当交换机从某个端口收到一个数据包，先读取包头中源MAC 地址， 这样就知道源MAC 地址的机器是连在哪个端口上的。 再读取包头中的目的MAC 地址，并在地址表中查找相应的端口。 如果地址表中有与这个目的MAC 地址对应的端口， 就把数据包直接复制到这个端口上。 如果地址表中找不到相应的端口， 则把数据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以学习目的MAC 地址与哪个端口对应， 在下次传送数据时就不再对所有端口进行广播。 不断循环这个过程，对全网的MAC 地址信息都可以学习到。

4.3 光缆终端盒

光缆终端盒主要用于光缆终端的固定， 光缆与尾纤的熔接和余纤的收容与保护。 终端盒是光缆端头接入之处，然后通过光跳线接入光交换机。

4.4 光缆

光纤的通信距离可达几百米、几千米甚至几万米，且光纤通信不会受到信号的干扰。 特别注意光纤在使用中不要过度弯曲和绕环，否则会增加光在传输过程中的衰减。 光纤分为单模和多模两种，多模传输距离较近（最远550m），单模传输距离较远。 光缆可分为四芯、六芯及八芯等。

该动力厂联网是将整个控制站放到远程，通过光纤连接集中控制室的操作站。每一个BUS 需要两芯 （传送TX、 接收RX 各需要一芯光缆），BUS1 和BUS2 冗余的通信放到两根光缆上，这样，即使是使用过程中一根光缆断了，也不会影响冗余通信，增强了通信的可靠性。

动力厂联网采用四芯单模光缆。 光纤的熔接要注意光缆两头，TX 对应RX，RX 对应TX。 熔接好的光纤要先进行衰减率测试，测试没问题后直接连接，调试正常。

4.5 L3 交换机

L3 交换机即三层交换机，它解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的情况，解决了传统路由器速度低且复杂所造成的网络瓶颈问题。

使用前，需将随交换机提供的专用电缆连接至个人计算机的9 针串行端口上，将电缆的另一端连接至交换机的控制台端口上，在个人计算机上启动超级终端进行设置，路径为WINDOWS 的程序/附件/通信/超级终端。

4.6 跳线

跳线用于光交换机和终端盒之间的连接。

光纤跳线按传输媒介的不同可分为常见的硅基光纤的单模跳线和多模跳线， 还有以其他（如塑胶等）为传输媒介的光纤跳线。 按连接头结构形式可分为：ST 跳线、LC 跳线、MTRJ 跳线及MPO 跳线等。 一般单模光纤的光纤跳线用黄色，接头和保护套为蓝色。 多模光纤的光纤跳线用橙色或灰色，接头和保护套用米色或黑色。

光纤跳线使用后，一定要用保护套将光纤接头保护起来，避免灰尘和油污损害光纤的耦合。

5 联网工作

5.1 备份参数

因各控制系统联网前会出现离线下装或停电超过72h 的情况， 所以必须对参数进行备份，这些参数包括报警值、PID 设定值等。具体方法是在组态软件首页View 选中loadd， 再选中save FCS Tuning parameter 即可。

5.2 修改同名

不同项目可能存在相同的位号和功能块名，联网前必须进行修改，否则会导致不同域之间的调用错误。 具体方法是将联网的项目放在一个项目中， 在组态软件首页tools 选中check for Double，再选中Defined Tags，即可找到同名的位号进行修改。

5.3 软件升级

将CS3000 系统的所有操作站统一安装Windows XP 操作系统， 组态软件统一安装R3.08 版本。

5.4 硬件升级

更换4 台3#锅炉和公用系统DCS 操作站，安装横河VI701 型专用通信网卡，并将17 块1#～3#锅炉CS3000 系统操作站的原横河专用通信网卡VF701 更换成VI701 型。 通信网卡安装好后，根据预先设定的IP 地址采用奇校验对DIP 开关进行拨号。

5.5 扩展节点

1#～3#锅炉CS3000 系统的模拟量和开关量的通道都没有足够的余量。 本次联网对1#、2#锅炉DCS 的两个控制站各增加1 个节点单元，3#锅炉DCS 的1 个控制站增加2 个节点单元。

5.6 增加设备

1#～3#锅炉CS3000 系统各增加1 个AVR10D型域控制器，同时需要对域控制器进行硬件上IP地址的拨号和在CS3000 软件上属性的设置。 1#～4#锅炉CS3000 系统各增加两对L2 交换机、2 个终端接线盒。整个CS3000 系统增加一对L3 交换机和3km 光缆。

5.7 拆分项目

本次改造， 在组态软件中将1#、2#锅炉原来的一个项目分成1#锅炉和2#锅炉两个项目，在硬件上将两个控制站分开，并各自通过域控制器与网络进行通信。 因1#锅炉和2#锅炉无法同时停工改造，根据实际情况，定于在2#锅炉停工、1#锅炉运行的情况下进行项目拆分。1#、2#锅炉项目拆分前后的硬件连接如图1、2 所示。

图1 1#、2#锅炉项目拆分前的硬件连接

图2 1#、2#锅炉项目拆分后的硬件连接

拆分项目的具体步骤如下：

a. 检查DCS 操作站系统画面中1#、2#锅炉的Vnet1 和Vnet2 指示灯是否正常， 绿色表示通信正常，红色表示不正常。

b. 断开1#锅炉控制站1#电缆通信耦合器开关，观察Vnet2 和操作站画面数据显示是否正常，正常则断开2#锅炉控制站1#电缆通信耦合器开关，并拆除1#电缆，然后从粗细缆转换器处拆除3#电缆；不正常则停止操作，查找原因。

c. 将1#电缆连接至粗细缆转换器后与操作站的VI701 网卡相连，待1#锅炉停工时则与域控制器相连。

d. 测试1#电缆是否连接好， 接好进行步骤e，否则检查处理。

e. 闭合1#锅炉控制站1#电缆通信耦合器开关。

f. 断开1#锅炉控制器2#电缆通信耦合器开关，按照同样的步骤拆除4#电缆，将2#电缆连接至粗细缆转换器后与操作站的VF701 网卡相连，待1#锅炉停工时则与域控制器相连。

经过项目拆分后，原来的一个项目变成了两个项目，这两个项目在物理上实现了独立，在各装置停工时分别通过域控制器、L2 交换机和L3交换机实现网络上的通信。

4#锅炉和公用系统完成建设后，因其控制站与操作站之间的通信为Vnet/IP 协议， 所以只通过L2 交换机和L3 交换机即可实现网络上的通信。

利用3#锅炉和公用系统停工检修的机会，对其控制站加装节点单元，增加域控制器并离线下装，同时通过域控制器、L2 交换机和L3 交换机实现网络上的通信。

6 联网的组态

6.1 操作站的网络设置

操作站VI701 网卡驱动安装后生成两个网络连接，分别设置为172.16.域名.站名，子网掩码255.255.0.0 和192.168.128+域名.129+站名，子网掩码255.255.255.0。

6.2 域控制器的设置

在CS3000 组态软件中的每个项目下新建域控制器并进行属性设置。 该动力厂在项目KSHRD-1 下建立域控制器BCVV0202，类型设置Station Type 为AVR10D-Q Vnet Router（for Dual-Redundant V net）， 地址设置Domain Number 为2，Station Number 为2。

6.3 域控制器的离线下装

在软件上完成域控制器的属性设置；在硬件上完成域控制器的域号和站号的拨号设置，同时接好网络电缆，并给域控制器提供220V（AC）电源。

以上工作完成后，就可以进行域控制器的离线下装。 离线下装的操作以项目KSHRD-1 的域控制器为例， 该域控制器为2#域的2#站，在Change BCV property 设置中除2#域之外的1#、3#、4#、5#、6#和7#域均要打勾，然后按“确定”按钮即可完成离线下装。

6.4 安装多项目软件包

多项目软件包是横河一个非常实用的软件包，其作用是安装多项目软件包的操作站除能监控本域的数据外， 还能够监控其他各域的数据。该石化动力厂指定了4 个工程师站和2 个公共系 统 操 作 站 （HIS0264、HIS0764、HIS0664、HIS0464、HIS0661 和HIS0463） 共计6 个站安装多项目软件包， 把动力厂不同项目的CS3000 系统连成一体，实现互相操作和监视。 工程师站的组态软件中必须进行多项目软件包的组态设置。具体在项目/common/multipjt 中进行。 以1#锅炉项目为例，Project name 设置为KSHRD-1，Project ID 设 置 为P1，Product name 设 置 为CS3000，PC Name 设置为HIS0264。

6.5 建立镜像站

为了实现在本域监控其他域的数据库，就必须在每个项目的工程师站建立镜像站。 建立镜像站时， 除本域外的其他安装多项目软件包的站均要建立镜像站。 以动力厂2#域工程师站HIS0264 中建立镜像站和属性设置为例， 需要建 立STN0463、STN0464、STN0661、STN066 4 和STN0764 共5 个镜像站。 以镜像站STN0463 为例，Station Type 设置为UHMIS Unified Operation和Monitoring Station；Station Address 设置为Domain Number 和Station Number， 其值分别为4、63。

7 结束语

某石化动力厂不同时期的CS3000 系统联网后目前已正常运行， 实现了CS3000 系统的集中控制和指定操作站对其他各域数据的调用，为母管制设备提高自动控制打下了基础，同时也实现了各控制系统在通信上联系、在物理上独立的功能。 采用分阶段、分步进行联网的解决方案，既保证了不同装置的正常运行又达到了联网的目的。