DPU通信總線網(wǎng)運(yùn)行原理及故障分析

MAXlO0O+PLUS系統(tǒng)是美國MCS公司于1997年推出的集散控制系統(tǒng)，其通信方式采用了冗余的環(huán)形令牌式無站通信。這種通信的優(yōu)點(diǎn)是:采用了可抗各種電磁干擾、不受潮濕影響、無接地問題的光纖作為其通信設(shè)備;采用雙向環(huán)形令牌式通信方式確保了系統(tǒng)的安全性;令牌式無站通信保證了無論工業(yè)控制對象如何，都可以保證每次通信的有效性，不會(huì)出現(xiàn)信息堵塞現(xiàn)象，系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)通道的超載現(xiàn)象。
一、DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
DCS的網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)為:MAXNET為星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的lOM以太網(wǎng)與1OOM快速以太網(wǎng)混合冗余組成光纜通信局域網(wǎng)(LAN)，用于實(shí)現(xiàn)RPU和MAXSTATION之間的通信。網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)完全獨(dú)立的以太子網(wǎng)級組成，分別叫作A網(wǎng)、B網(wǎng)，兩網(wǎng)互相冗余保證系統(tǒng)的可靠性和糾錯(cuò)能力。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要有網(wǎng)線(屏蔽)、FOC(光電轉(zhuǎn)換器)、OEI(光電接口)、集線器(SWITCH)、交換機(jī)(DBM)等。基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

DPU通信總線網(wǎng)的實(shí)際連接方式如圖2(以DAS系統(tǒng)為例)。在RPU中，DPU和DBM(DPU總線模件)由DPU總線構(gòu)成的冗余兩級過程控制通信網(wǎng)進(jìn)行連接。從邏輯上看，上一級是兩條由光纜構(gòu)成的令牌環(huán)網(wǎng);從物理上看，上一級是該DPU網(wǎng)由OEI通過電纜數(shù)據(jù)公路連接各個(gè)機(jī)柜內(nèi)的DPU。下一級為并行I/0總線，并行總線中每個(gè)DPU與相應(yīng)的I/0連為一體，形成單獨(dú)的子系統(tǒng)。

二、每個(gè)部件的功能
l、DBM——DPU總線模件
(1)監(jiān)視功能:監(jiān)視系統(tǒng)通信狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)后重新啟動(dòng)令牌傳輸。
(2)DBM在網(wǎng)絡(luò)通信中的作用是:地址被設(shè)定為網(wǎng)絡(luò)中最低的地址，如果令牌丟失或DPU總線stall，DBM會(huì)打開DPU總線，產(chǎn)生一個(gè)新的令牌。
(3)與MAX工作站進(jìn)行時(shí)鐘同步。
(4)存儲本子系統(tǒng)的基本組態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)、各DPU及I/0模件的組態(tài)數(shù)據(jù)、DPU的可執(zhí)行文件及各算法程序代碼、當(dāng)前的報(bào)警列表點(diǎn)、趨勢和事件數(shù)據(jù)，起到MAX工作站的服務(wù)器功能。
2、DPU——分散處理單元
(1)對I/0總線和I/0模件的控制，與外部設(shè)備如PLC的通信管理。
(2)對所有I/0變量的采集和發(fā)送，并對這些輸入/輸出進(jìn)行運(yùn)算、轉(zhuǎn)換和報(bào)警處理。
(3)與其它設(shè)備進(jìn)行通信，如與其它DPU及DBM的通信。
3、0EI(Optical-EIectrical Interface)——電接口耦合器
(1)將DPU和DBM連接在高速數(shù)據(jù)公路上。
(2)把高速數(shù)據(jù)公路上的光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖，將電脈沖通過電纜送入DPU。
(3)放大光信號，保證回路中的光信號保持有效的信號電平。
(4)三類數(shù)據(jù)通過OEI，即到光纖的光數(shù)據(jù)、從OEI發(fā)送端輸出的數(shù)據(jù)和從OEI光纖來的環(huán)路數(shù)據(jù)，由OEI的接收端接收，雙向的電數(shù)據(jù)在OEI和DPU總線之間傳輸。
三、網(wǎng)絡(luò)通信原理
光纜環(huán)分為順時(shí)針(CW)和逆時(shí)針(CCW)兩條回路，OEI也按CW和CCW進(jìn)行標(biāo)記。數(shù)據(jù)公路上的各DPU帶有"IN"和"OUT"切換開關(guān)，可以將該DPU旁路而不影響總線運(yùn)行。上、下兩級的通信聯(lián)系由光纜上的令牌來傳遞，DBM控制令牌在各DPU之間傳遞。DPU總線根據(jù)令牌的傳輸分為3個(gè)環(huán)路:DPU地址在32~47的為低速環(huán)l;DPU地址在48~63的為低速環(huán)2;高速環(huán)是地址在1~31的DBM、操作員站、工程師站。令牌通常在高速環(huán)中傳遞，以保證各DPU數(shù)據(jù)傳遞的快速性。DBM中的內(nèi)部時(shí)針指揮令牌每1/4秒傳到一個(gè)低速環(huán)上，下一個(gè)1/4秒傳到另一個(gè)低速環(huán)上。DPU令牌環(huán)邏輯示意圖如圖3。

在任一時(shí)刻，一個(gè)站為主站，擁有令牌，有權(quán)力發(fā)出信息，當(dāng)令牌傳到一個(gè)站時(shí)，下一個(gè)站為主站，當(dāng)新的站接入時(shí)，網(wǎng)絡(luò)其它站按照地址試著向其傳遞令牌，直到建立通信。令牌傳遞按照一個(gè)邏輯順序:從地址最低的向高的依次傳遞，到47后傳遞給高速環(huán)的最低地址。從高速環(huán)到低速環(huán)1的時(shí)間要0.25s(DBM之間令牌傳遞時(shí)間為0.25s，0.25s后令牌傳遞給低速環(huán)1，0.25s后令牌傳遞給高速環(huán)，0.25s后令牌傳遞給低速環(huán)2)，不管令牌在低速環(huán)的什么位置上，在0.25s內(nèi)令牌必須通過低速環(huán)的每個(gè)站一次。當(dāng)?shù)退侪h(huán)內(nèi)最高地址的站完成了傳輸后或時(shí)間到了0.25s時(shí)，令牌必須傳回高速環(huán)，然后進(jìn)入另一個(gè)低速環(huán)。因此，在SYSTEM STATUS/MAP/Statistics畫面中，DPU的Token passes/sec的數(shù)值一般為"2"。令牌傳遞按照邏輯順序沿著物理線路進(jìn)行，沒有令牌的站只能響應(yīng)有令牌站的需求。MAXlO0O+PLUSDPU總線使用"無主"令牌環(huán)的通信協(xié)議，一個(gè)單獨(dú)的站故障不會(huì)導(dǎo)致DPU總線故障(這就是DPU被拔出后系統(tǒng)狀態(tài)環(huán)仍然為綠色的原因)。從低層網(wǎng)返回的令牌與開始交換的令牌不同，原因是令牌包含的返回地址不同。因此，一個(gè)站只有當(dāng)從另一個(gè)站接收令牌時(shí)才能決定電纜的狀態(tài)。
四、根據(jù)報(bào)警狀態(tài)分析網(wǎng)絡(luò)故障的方法
1、一般原則
●電纜狀態(tài)由正在接收令牌的站所決定。
●當(dāng)接收站只能在其中一條站上聽到上一個(gè)站傳遞的令牌信息時(shí)，產(chǎn)生EC、ECC報(bào)警。
●當(dāng)接收站不能通過高速環(huán)聽到自己的回聲時(shí)，產(chǎn)生OC、OCC報(bào)警。
●當(dāng)接收站既聽不到令牌信息也聽不到自己的回聲時(shí)，產(chǎn)生BC、BCC報(bào)警。
●如果所有的站報(bào)告OC、OCC、BC、BCC，故障，最有可能在光纖回路上;如果至少有一個(gè)站沒有報(bào)告OC、OCC，故障最有可能在電纜回路上。

2、舉例說明
SYSTEM STATUS畫面中ECW、OCW為綠色，ECCW、OCCW為紅色，且SYSTEM STATUS/MAP有如表1的報(bào)警。

分析步驟:
(1)畫出網(wǎng)絡(luò)實(shí)際連接示意圖(圖4)，是分析網(wǎng)絡(luò)故障的有力工具(必須真實(shí)、準(zhǔn)確)。
(2)報(bào)警中出現(xiàn)的均為BCC、OCC、ECC，說明故障回路在CCW回路中。
(3)首先分析唯一出現(xiàn)ECC報(bào)警的DAS50。DAS50出現(xiàn)ECC報(bào)警，說明它無法收到DAS49的令牌傳輸，則故障部位在DAS49-DAS48-DAS51-DAS50之間的連接上(要牢記令牌傳遞按照邏輯順序沿著物理線路進(jìn)行的原則)。
(4)根據(jù)步驟3，分析DAS48的BCC報(bào)警。由于BCC=OCC+ECC，首先分析OCC產(chǎn)生的原因是DAS48無法通過 OEI的高速環(huán)經(jīng)過DAS56→DAS57→DAS54→DAS55→DAS52→DAS53→DAS5O→DAS5l→DAS48回路聽到自己的回聲。聯(lián)系步驟3，這證明故障在DAS48-DAS5l-DAS50之間的連接上。再分析ECC產(chǎn)生的原因。DAS48按照邏輯順序(見DPU令牌環(huán)邏輯示意圖)接收DAS47的令牌傳遞回路為DAS47→DAS49→DAS48→DAS5l→DAS50→DAS53→DAS52→DAS55→DAS54→DAS57→DAS56→光纖回路→DBMl→DBM2→DBMl→光纖回路→DAS56→DAS57→DAS54→DAS55→DAS52→DAS53→DAS5O→DAS5l→DAS48，通過這個(gè)回路可以進(jìn)一步證明故障在DAS48→
DAS5l→DAS50之間的連接上。
(5)分析DAS51的OK狀態(tài)，DAS51能夠接收DAS50的令牌傳遞也能夠通過OEI的高速環(huán)聽到自己的回聲，說明DAS5l→DAS50之間的連接是好的。
(6)因此得出結(jié)論:故障在DAS48→DAS51的CCW電纜連接上。至于其它DPU的報(bào)警原因，同樣與此結(jié)論相符。
五、結(jié)束語
以上例子簡單說明了網(wǎng)絡(luò)回路故障的判斷方法。當(dāng)然導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障報(bào)警的部件還有OEI、DPU、DBM、光纖故障等，它們均有自身的一些報(bào)警說明，請讀者自行學(xué)習(xí)相關(guān)產(chǎn)品說明書即可。