引言
随着分散控制系统(DCS)的技术进步和网络技术的发展，目前大部分DCS均具有与第三方系统进行通信的功能，DCS开放性大大提高。1998年沙角发电A厂3号机组实施的DCS改造工程，是国内较早采用通信技术，成功将XDPS构成的汽轮机数字电液控制系统(DEH)纳入另一套不同DCS实现一体化监控功能的实例。随后，国内其他电厂也纷纷效仿，取得了很好的效果。2套完全不同的DCS相互通信，还要实现操作功能，在实施过程中也遇到过一些技术难题，如广东韶关发电厂8号机组DCS改造时，由XDPS构成的DEH与Emerson公司的Ovation DCS通信就存在一些问题，后通过通信改造得到了解决。
广东梅县发电厂5、6号机组DCS采用XDPS,与由Ovation构成的DEH进行通信。XDPS用作DCS与DEH进行通信，这在国内还是首次，但由于通信的不稳定，机组到投产时还未能实现DCS对DEH的监控。本文针对这2台机组DCS与DEH通信不稳定的问题进行了原因分析与检查，找出了故障所在，并通过通信改造解决了存在的问题，实现了DCS与DEH的一体化监控。
一、DCS与DEH原通信设计及存在问题的分析1.1 原通信设计 DEH采用2块LC卡与DCS的2台通信站通信，通信协议为MODBUS RTU，接口为RS-485。DEH为主站，LC卡内部是一个DOS操作系统，LC卡启动时自动加载通信程序。DCS为从站，采用RS-232/RS-485转换器，实现通信站串口与LC卡连接。2台通信站号分别为61和81，相隔20，目的是为了实现2个站的相互冗余。根据XDPS特点，可把这2台通信站看成是一对相互冗余的控制站。
1.2 通信存在的问题 这种串口通信方式不稳定，表现为正常通信一段时间后会出现故障，必须对通信程序进行复位，才能恢复正常，但一段时间后又故障，如此反复。曾采用降低通信速率、更换通信电缆和接口转换器、减少通信量、优化数据打包方式甚至修改DCS通信程序使其定期自动复位、2个通信站定期自动切换等方法，但最终还是未能解决问题。
1.3 问题分析 通过拦截通信数据包进行分析，发现DCS通信程序没有对通信数据溢出进行检测，而是采用检测数据包长度来判断接收是否完成，当发现长度不够，并不立即将这个数据包丢弃，而是继续等待下个数据包，并错误地将下个数据包的前部分数据合并到上次的数据包中，重新组成一个长度正确但数据不正确的数据包，最后进行报文校验时才发现错误将其丢弃。但刚刚接收到的数据包由于被拆分后又变得不完整了，于是又对下一个数据包进行拆分，就这样通信程序陷入了死循环，无法自动恢复正常。发生数据溢出的原因是DCS通信站作为操作员站，实时数据量非常大，当有数据需要更新时，就会优先处理，若此时串口正在接收数据，则因系统太忙而来不及将数据读出，就会发生数据溢出。当禁用DCS通信站串口的缓冲功能，或运行较复杂的程序使CPU负荷率升高，通信也会中断，出现同样的故障现象。
要解决通信问题，有4种方案可选:(1)完善DCS通信程序，使其接收数据时若发生溢出，立即将数据包丢弃，防止通信陷入死循环;(2)采用具有较大缓存的专用串口卡，防止发生数据溢出;(3)用MODBUS数据网关，将串口数据转换为TCP/IP数据后再与DCS通信;(4)采用以太网方式实现通信，这种方式通信速度最快，稳定性最好，能更好地实现对DEH监控的功能。综合考虑，决定采用以太网来实现通信。
二、以太网通信的实现2.l DCS与DEH通信连接
DCS与DEH采用以太网通信的连接如图1所示，DCS的61和81号通信站，其4号网卡通过RJ45通信电缆与DEH侧交换机连接，实现与DEH冗余控制器DropOl、Drop51的通信。通信规约采用MODBUS TCP/IP,DEH为主站,DCS为从站。
DCS通信软件采用Hbgtw.exe，该软件最初是新华公司为实现XDPS与德国H&B公司的Contronic DCS通信而开发，后成为XDPS与第三方系统进行通信的一部分。
DEH利用Ovation系统集成的与第三方系统通信的虚拟IO实现通信。Ovation可直接与ABPLC、MODBUS PLC、GE Mark Ⅴ/Ⅵ、RTP I/0等第三方系统进行通信，在本工程中，将DCS虚拟为MODBUS PLC。
2.2 冗余通信的实现 采用以太网实现2个系统的通信，虽然通信连接是冗余的，DCS通信站也是冗余的，但实际应用中发现，通信并不具备冗余功能。在工程中采用在DEH的2个控制器各增加2路虚拟I0的方法，实现通信冗余功能。
Ovation系统每个控制器有5个设备号，每个设备号最多可带5路虚拟设备，本工程在第2个设备号上增加2个虚拟I0设备PLC_l和PLC_2，并使其同时与DCS的2个通信站通信。这种采用2路虚拟I0实现通信冗余与采用2块真实I0卡实现冗余是相似的。
2.3 DEH配置修改 2.3.1 网络交换机设置
必须将与DCS通信连接的交换机端口设置为第三方通信端口;否则，虽然通信正常，但却不稳定，有时会发生通信中断的现象，这一点需要特别注意。
2.3.2 增加通信驱动程序
(1)用工程师站的Init Too1工具分别在2个控制器安装MODBUS PLC Driver驱动程序。
(2)用Admin Too1工具在devices中选择第1个未用的设备号，增加2个虚拟I/0设备PLC_l和PLC_2，并利用I/O Builder工具增加一块PCI:2 MODBUS Master卡。需注意设备号必须按顺序指定，1和2只能由Ovation系统自己使用，而虚拟设备只能使用3-5。因为本工程Ovation系统只用了第1个设备号，所以新增加的虚拟设备必须用第2个设备号，但这又不符合虚拟设备的使用规则，会导致控制器无法运行。要解决此问题，可在设置完毕后，先对控制器进行格式化，然后再重启即可。
(3)用Point Builder工具建立需要通信的信号点，参数填写时除I/O Access Path项与普通信号点不同外，其他项都是相同的。另外，设置模拟量通信点Sensor项的量程范围时，必须为0-65535。
2.4 DCS配置修改 通信软件必须采用支持15、16号功能码的Hbgtw.exe，并根据通信来设置初始化文件Xh_hb.ini，其中[DEHDI]和[DEHAI]节用来配置接收DEH的开关量和模拟量，采用15、16号功能码，地址从6000开始;[DI]和[AI]节用来配置向DEH发送开关量和模拟量，采用2、4号功能码，地址从0开始，而且1个开关量数据要占3个地址，分别为该开关量的值、品质和报警状态。
2.5 DCS对DEH进行置数操作的实现 2.5.1 通信点设置
DEH点按MODBUS l IN3####PLC_l格式填写，其中MODBUSl表不从站地址为1;3####中的3表不采用4号功能码;####值0001-9999对应 Input Register地址0-9998;PLC_l表示第1路虚拟I/0，第2路则填PLC_2。为实现浮点数据的传输，DCS可将数据放大100倍后发送，DEH接收后再缩小100倍，这样可使2个系统的参数显示精度保持一致。
DCS侧需要配置[AI]节，项内容按l=Tag Name格式填写，其中1表示地址为O，TagName为需要传送的点名。
2.5.2 DCS逻辑处理
如图2所示，在DCS操作员站上进行操作时，KBML块输出端D会产生一个脉冲信号，利用这个脉冲再产生一个操作有效信号送DEH。当KBML的数值与DEH侧的数值有偏差时(此时DEH侧可能进行了操作，也可能是DEH不接受DCS的置数)，延时一定时间后KBML跟踪DEH侧的数值，这样处理可提高通信操作的安全可靠性。
2.5.3 DEH逻辑处理
如图3所示，DCS对DEH进行置数操作时， DEH会同时收到DCS送来的操作有效信号，DEH利用此信号产生一个1.5s的脉冲，先将DCS送来的操作数选中，稳定0.5s后，再产生一个0.5s脉冲将选中的操作数送入最终操作数回路，这样繁琐的处理可提高通信操作的安全可靠性。
2.6 DCS对DEH进行开关量操作 DEH点按MODBUS l IN l####PLC_l格式填写，其中1####中的1表示采用2号功能码;####值0001-9999对应Input Coils地址0-9998，为了只选取开关量的值,按0、3、6…的地址进行设置。
DCS侧配置[DI]节，项内容l=DEHAUTOIPBD中的1表示该点的值、品质和报警状态对应的地址分别为0、1和2。
DCS对DEH进行开关量操作的逻辑相对较简单，DCS采用D/MA块实现，操作时产生一个脉冲信号送DEH,DEH再将此脉冲信号与其原操作信号 "或"即可。
2.7 DEH向DCS传送模拟量参数 DFH将模拟量参数送到DCS，实现DCS对DEH的监视。当主站向从站传送的是模拟量参数而不是操作指令时，采用16号功能码更合适,传输数据的Holding RegiSters起始地址必须为6000。DEH点按MODBUS l OUT 4####PLC_l格式填写，4####中的4表示采用16号功能码;####值0001-9999对应地址0-9998。
DFH向DCS传输模拟量数据时，只需将数据同时送到PLC_l和PLC_2这2个通道，DCS的2台通信站同时接收到同一数据，只要保证至少有1台通信站正常即可。
DCS侧配置[DEHAI]节，项内容l=DEHWS中的1对应地址为6000。需注意当1个16号功能码数据包的数据量超过61个时，DCS的通信程序就无法正常接收第61个以后的数据了。为了让DCS能够继续接收数据，应分包进行传送，采取相隔1个地址即可，如地址设计为6000-6060,6062-6112等。
2.8 DEH向DCS传送开关量信号 DEH将开关量状态信号送到DCS，实现DCS对DEH的监视。当主站向从站传送的是开关量数据而不是操作指令时，采用15号功能码更合适,传输数据的Discrete Coils起始地址必须为6000, DEH点按MODBUS l OUT ####PLC_l格式填写，4位数####表示采用15号功能码，0001-9999对应地址0-9998。
DEH向DCS传输开关量数据的处理逻辑与模拟量完全一样。
DCS侧配置[DEHAI]节，项内容l=DEHAS中的1对应地址为6000。
三、通信改造效果 通过本次DCS与DEH的通信改造，解决了原通信存在的问题，实现了DCS与DEH的一体化监控，保持了控制室操作员站的一致性，方便了运行人员的操作。系统改造至今已稳定运行3a多，证实了这种通信方式是可行的。
DEH送DCS的开关量94个、模拟量63个; DCS送DEH的操作指令中，开关量操作80个、置数操作6个。由于以太网通信速度比串口大大提高，所有数据完成1次传输只需十几毫秒的时间，通信网络负荷率小于1%。增加通信后，DEH控制器和DCS通信站的CPU负荷率升高不到1%。
通信周期为0.5s，从DCS侧操作至DEH侧动作完成并返回DCS侧显示出来，开关量操作一般在1s内，最长也不超过1.5s;置数操作(逻辑处理增加了O.5s的延时)则在1.5s内，最长不超过2s。同时DCS画面更新速率比DEH侧的高，能更好地对DEH系统进行监控。
四、结语 通过本工程的实践，彻底解决了XDPS与Ovation系统通信的老大难问题，为这2个系统的通信设计提供了借鉴。XDPS适合采用以太网实现与第三方系统通信，若第三方系统不支持以太网，则可采用MODBUS网关来解决;Ovation系统则既可采用以太网，也可采用串口与第三方通信，但如需要通过通信来实现操作时，则选用以太网较为合适。设计这2个系统与第三方通信时，要根据其各自的特点和实际应用需要，选用最合适的通信方式。