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[摘要] 本文就INFI-90系统通讯网络的结构、 通讯协议、使用技术以及硬件和数据传输的路径作简单的介绍。
[关键词] INFI-90结构通讯协议使用技术数据传输
1.前言
攀钢热电厂二期130t锅炉采用的是上世纪80年代的WDPF I代计算机系统。现在设备使用时间过长，系统版本陈旧，模件严重老化，并且同类型产品厂家已不再生产，是造成二期锅炉故障高的主要原因，使锅炉安全、稳定的生产无法得到保证。在此情况下，攀钢热电厂对二期锅炉进行了计算机系统的更新改造，引进了美国ABB公司的INFI-90系统。
INFI-90系统是ABB贝利公司推出的，融合了过程控制和企业管理为一身的新一代DCS分布式过程控制系统。该系统主要由：PCU、通讯网络、人－系统接口、电源系统等单元组成。由于分布式过程控制系统的通信网络无时不在传递着过程变量、控制要求和有关报警报告等过程控制的各种信号，所以通信网络执行着极为重要的任务，成为分布式过程控制系统的重要硬件、软件结构。以下就是对INFI-90系统的通讯网络重点论述。
2. INFI-90系统通信网络的结构
图1 系统网络结构示意图
INFI-90系统为适应多过程控制规模和多种现场条件，以及更广泛的数据传输和高层次的管理功能，其通信系统采用多层的通信网络结构，以适应企业和技术发展的需要。由系统网络结构示意图（如图1）可以看出：二期的四台锅炉中，每一台都由一个PCU柜来进行控制，人－机界面则有两台SEVER和两台CLINT组成。四个PCU柜和两台SEVER（即服务器）都是挂在环网上的。环网就负责PCU和SEVER的数据传输。在PCU柜中通信网络可以分为三种：扩展总线、控制总线以及环网。
2.1 扩展总线
扩展总线即I/O总线，它的作用是把各种各样的由I/O子模件处理过的信号传送到MFP（多功能处理器），由MFP读取I/O信号。由于在四台锅炉的每一个PCU柜中，I/O模件与MFP之间相隔非常近（一个PCU柜中），而且要求数据传输的速率较高，在这种情况和条件下，扩展总线采用了并行通信的方式，使数据的传输速度较快，并且在传输距离很短的情况下不会出现数据失真的现象。
2.2 控制总线
控制总线的作用是把所有的MFP连载一条总线上，完成MFP之间的通讯。另一方面，控制总线也是MFP与环网之间的数据传输通道。MFP即多功能处理器，是INFI-90系统的核心智能控制模件，相当于一台PC机。二期的四台锅炉的每一个PCU柜内有三个MFP，其中一个用于仪表的控制，一个用于仪表控制的冗余备用，最后一个用于电气的控制。两个正常运行的MFP之间也是有数据的交换的（例如：锅炉、计算机联锁信号），而它们的数据交换就是通过控制总线来完成的。
2.3 INFI-90的环网
攀钢热电厂二期锅炉的这套INFI-90系统的网络采用的是环网结构。这种通信网络首尾相连成环行。其特点是信息传送从始发站依次经过诸站，最后又回到始发站。它具有结构简单、成本底、易于扩充系统的优点。但是，环网上任意两个节点之间的通讯线路发生故障，就会造成整个系统的瘫痪。
为了确保通讯的成功，INFI-90系统采用的是双环网的结构，即把构成环网的电缆、通讯端口都做成冗余。当一条网络发生故障，另外一条备用网络立即投入运行，并且发出报警提醒维护人员进行维修。这样，就能保证环网上数据的正常传输。
环网的作用就是把PCU和人－机界面连成一个系统。四台锅炉在操作员站上的操作信号经过各自传输通道，首先都要到达环网，在环网上进行信息的传送。MFP通过环网接口和控制总线对这些信息进行数据的采集和处理，处理完后才送到I/O子模件，然后通过端子板传送到现场的执行机构。同样，现场来的信号经过端子板、I/O子模件由MFP处理，其中一部分信息再返送回现场执行机构执行操作命令。
以上就是INFI-90系统的三层通讯总线。但是，庞大的信息量在网络上进行传输，就需要一定的传送规律才不至于出现混乱，以及保障数据传输的准确性。这时，就出现了网络通讯协议的问题。
3. INFI-90系统的通讯协议
网络通讯协议就是指通信网络内信息传送的方式，是一种专门用于通信的软件、规则。
A、存储转发协议
在使用存储转发协议的网络上，没有通信指挥器，所有节点的地位是平等的，不会有主次之分。每一个转发器随时并且独立地进行数据接收、发送以及撤消等功能，网络中的节点均能同时发送、转发、接受及撤消信息报告，使信息的例外报告非常快速的传出节点，节省了时间，减少了延时，使网络有较高的利用率。
B、自由竞争式协议的特征与工作原理
所谓自由竞争式就是某一时刻，所有网络上的通信主体，不受约束竞争发出信息报告。如果某一时刻内，有两个以上通信主体需要占用总线时，就可能发生“碰车”现象，这时各通信主体就会自动退回，经随机延迟再重新发送，从而完成通信职能。
4. INFI-90系统通讯网络的使用技术
为防止通信通道的堵塞，保证通信传输的畅通和提高网络的通信效率，以及最有效地利用信息传输中的每一信息字节，在整个通信系统组合中，都采用了三种有效的通信技术，即：例外报告技术、数据压缩技术、确认重发技术。
4.1 例外报告技术
所谓例外报告，就是在过程控制中产生的一些涉及测量数据、操作、报警等信息经过一定的技术处理，而形成一种反应信息值的专门报告。其特点是：只反映某一时间间隔内发生显著变化的信息， 而对没有发生显著变化的信息，不产生报告。
例外报告技术的特点有：
a、通过设置的例外报告死区（DB）、最小例外报告时间（Tmin）、最大例外报告时间（Tmax）等参数，有效地控制了产生例外报告的数量，进而控制了网络传送的信息量。
b、通过设置DB，就相当于针对过程监视的数据类型，划定了一个产生例外报告的密度间隔。其结果是数据变化大，产生的例外报告就多，反之就少。并且报告的产出量与数据变化量成正比，而更加符合过程控制的需要。
c、通过设置Tmax参数就相当于针对慢速或平稳变化的数据类型，规定了一个产生例外报告的周期。
d、对过程出现的报警，其报警报告将不受例外报告参数的限制。只要出现报警或从报警返回至正常状态，均产生报告。当然，对报警报告也需划定死区，以限制报警线范围出现重复报警。
例如：攀钢热电厂二期锅炉的蒸汽温度的上限报警值为465℃，下限报警值为420℃，死区=0.2%，变化率=0.2% ，Tmin =0.5s ，Tmax =5s 。
一旦蒸汽温度在死区内波动，当超过死区就要产生例外报告；在正常的区域波动，蒸汽温度的变化超过0.2%（约1℃），才产生例外报告。在Tmin内，只要蒸汽温度在正常范围内波动，不管多大变化都不产生例外报告；在Tmax内，如果蒸汽温度没有产生0.2%的波动，也要产生一个例外报告，这样不会长期得不到他的状态数据。另一方面，如果蒸汽温度超过报警值或是回到正常值立即产生例外报告。
4.2数据压缩技术
数据压缩技术又可以理解为信息打包。在环状网络中，传输的信息格式规定为两帧式。其中第一部分为标题帧，第二部分为数据帧。通过数据打包技术，把去一些相同地址的数据压缩在一起，使用一个标题帧发送出去，从而减少了标题帧的使用次数，节省了信息格式。
4.3 确认重发技术
在环形网络中，所有传输的信息包均应得到目的节点的确认，即：在信息包有一特定的确认节点，目的节点在接到信息包，并经校验没有发现问题后，它应在正常时完成撤消信息的工作。如果在源节点得到的标识NAK，就说明了目的节点没有接到或节点比较忙，处理不了这一信息包所携带的数据，这时就会启动重发逻辑，进行该信息包的重发。实际上，这一技术针对的是数据的完整性。
5. INFI-90系统通讯网络中的硬件
图2硬件图
如图2所示。前面已经讲过：环网的作用就是把PCU和人－机界面连成一个系统。而PCU和计算机要连接到环网上，就要用专门的通讯模件对。PCU使用的是NIS与NPM模件对来连接环网；计算机则使用的是NIS与ICT模件对来连接环网。
NIS与NPM模件对完成PCU与环网的通讯。在NIS模件的一侧连接环网，使之能够参与环网的数据交换；另一侧则通过NPM模件与控制总线相连，从而达到PCU与环网连接的目的，使PCU单元成为环网上一个独立的节点。NPM负责对数据进行定时的扫描，看是否有例外报告的产生。而NIS则负责对例外报告进行打包，上传到环网。它们通过之间的子总线完成连接。
INS与ICT模件对完成人－机接口与环网的通讯。NIS模件一侧连接环网，使之能够参与环网的数据交换；另一侧则通过ICT模件与计算机相连，从而达到人－机接口与环网连接的目的，使人－机接口成为环网上一个独立的节点。
ICT负责与计算机的通讯以及数据的缓冲。而NIS则负责数据的上传工作。它们也通过相互之间的子总线连接。
6. INFI-90系统数据传输的路径
图3 INFI-90系统数据传输的路径
如图3所示。在控制信息的传递中，现场的检测信号、控制输出的信号，均不形成例外报告。而送往其他节点的信息将变成例外报告，再形成信息包加以传输。这种信号的传递过程，既保证了控制信号的快速形成及传递，又控制了网络中的信息数量。
例如操作员在计算机上对锅炉二次风进行调节，调节信号经过传输经ICI端口送到环网上。此调节信号被NIS与NPM的通讯端口在环网上采集到后，经过控制总线传送的MFP，MFP处理后又经过扩展总线送到I/O子模件进行A/D转换。最后由端子板到现场执行机构执行，从而达到控制目的。
7.小结
以上从二期锅炉所使用的INFI-90系统的通讯网络的结构、通讯协议、所使用的主要技术、硬件等几个方面对其进行了论述。从以上的论述可以看出，INFI-90系统的通讯网络结构简单、实用。特别是通讯网络中所使用的技术：例外报告、数据压缩以及数据的确认重发，能够保证数据的高效、准确、安全的进行传输。
INFI-90系统只是众多DCS系统中的一个。当今的 DCS分散控制系统现在已经在化工、石油、冶金、电力、轻工等工业领域得到了广泛的应用。它以良好的技术效果和经济效益，显示出了强大的竞争力，被公认为当今最先进的过程控制系统。相信明天的DCS分散控制系统将在更广泛的领域起着更为重要的作用。
参考文献：
[1]高伟.计算机控制系统[M]. 北京:中国电力出版社.
[2]张新薇.工控网DCS技术讲座[M]. 北京:北京晶宸科技有限公司.
[3]黄一夫.微型计算机控制技术[M]. 北京:机械工业出版社.
[4] ABB公司.ABB Symphony系统资料[M].
[5] ABB公司.ABB过程控制单元教程[M].
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[关键词] INFI-90结构通讯协议使用技术数据传输
1.前言
攀钢热电厂二期130t锅炉采用的是上世纪80年代的WDPF I代计算机系统。现在设备使用时间过长，系统版本陈旧，模件严重老化，并且同类型产品厂家已不再生产，是造成二期锅炉故障高的主要原因，使锅炉安全、稳定的生产无法得到保证。在此情况下，攀钢热电厂对二期锅炉进行了计算机系统的更新改造，引进了美国ABB公司的INFI-90系统。
INFI-90系统是ABB贝利公司推出的，融合了过程控制和企业管理为一身的新一代DCS分布式过程控制系统。该系统主要由：PCU、通讯网络、人－系统接口、电源系统等单元组成。由于分布式过程控制系统的通信网络无时不在传递着过程变量、控制要求和有关报警报告等过程控制的各种信号，所以通信网络执行着极为重要的任务，成为分布式过程控制系统的重要硬件、软件结构。以下就是对INFI-90系统的通讯网络重点论述。
2. INFI-90系统通信网络的结构
图1 系统网络结构示意图
INFI-90系统为适应多过程控制规模和多种现场条件，以及更广泛的数据传输和高层次的管理功能，其通信系统采用多层的通信网络结构，以适应企业和技术发展的需要。由系统网络结构示意图（如图1）可以看出：二期的四台锅炉中，每一台都由一个PCU柜来进行控制，人－机界面则有两台SEVER和两台CLINT组成。四个PCU柜和两台SEVER（即服务器）都是挂在环网上的。环网就负责PCU和SEVER的数据传输。在PCU柜中通信网络可以分为三种：扩展总线、控制总线以及环网。
2.1 扩展总线
扩展总线即I/O总线，它的作用是把各种各样的由I/O子模件处理过的信号传送到MFP（多功能处理器），由MFP读取I/O信号。由于在四台锅炉的每一个PCU柜中，I/O模件与MFP之间相隔非常近（一个PCU柜中），而且要求数据传输的速率较高，在这种情况和条件下，扩展总线采用了并行通信的方式，使数据的传输速度较快，并且在传输距离很短的情况下不会出现数据失真的现象。
2.2 控制总线
控制总线的作用是把所有的MFP连载一条总线上，完成MFP之间的通讯。另一方面，控制总线也是MFP与环网之间的数据传输通道。MFP即多功能处理器，是INFI-90系统的核心智能控制模件，相当于一台PC机。二期的四台锅炉的每一个PCU柜内有三个MFP，其中一个用于仪表的控制，一个用于仪表控制的冗余备用，最后一个用于电气的控制。两个正常运行的MFP之间也是有数据的交换的（例如：锅炉、计算机联锁信号），而它们的数据交换就是通过控制总线来完成的。
2.3 INFI-90的环网
攀钢热电厂二期锅炉的这套INFI-90系统的网络采用的是环网结构。这种通信网络首尾相连成环行。其特点是信息传送从始发站依次经过诸站，最后又回到始发站。它具有结构简单、成本底、易于扩充系统的优点。但是，环网上任意两个节点之间的通讯线路发生故障，就会造成整个系统的瘫痪。
为了确保通讯的成功，INFI-90系统采用的是双环网的结构，即把构成环网的电缆、通讯端口都做成冗余。当一条网络发生故障，另外一条备用网络立即投入运行，并且发出报警提醒维护人员进行维修。这样，就能保证环网上数据的正常传输。
环网的作用就是把PCU和人－机界面连成一个系统。四台锅炉在操作员站上的操作信号经过各自传输通道，首先都要到达环网，在环网上进行信息的传送。MFP通过环网接口和控制总线对这些信息进行数据的采集和处理，处理完后才送到I/O子模件，然后通过端子板传送到现场的执行机构。同样，现场来的信号经过端子板、I/O子模件由MFP处理，其中一部分信息再返送回现场执行机构执行操作命令。
以上就是INFI-90系统的三层通讯总线。但是，庞大的信息量在网络上进行传输，就需要一定的传送规律才不至于出现混乱，以及保障数据传输的准确性。这时，就出现了网络通讯协议的问题。
3. INFI-90系统的通讯协议
网络通讯协议就是指通信网络内信息传送的方式，是一种专门用于通信的软件、规则。
A、存储转发协议
在使用存储转发协议的网络上，没有通信指挥器，所有节点的地位是平等的，不会有主次之分。每一个转发器随时并且独立地进行数据接收、发送以及撤消等功能，网络中的节点均能同时发送、转发、接受及撤消信息报告，使信息的例外报告非常快速的传出节点，节省了时间，减少了延时，使网络有较高的利用率。
B、自由竞争式协议的特征与工作原理
所谓自由竞争式就是某一时刻，所有网络上的通信主体，不受约束竞争发出信息报告。如果某一时刻内，有两个以上通信主体需要占用总线时，就可能发生“碰车”现象，这时各通信主体就会自动退回，经随机延迟再重新发送，从而完成通信职能。
4. INFI-90系统通讯网络的使用技术
为防止通信通道的堵塞，保证通信传输的畅通和提高网络的通信效率，以及最有效地利用信息传输中的每一信息字节，在整个通信系统组合中，都采用了三种有效的通信技术，即：例外报告技术、数据压缩技术、确认重发技术。
4.1 例外报告技术
所谓例外报告，就是在过程控制中产生的一些涉及测量数据、操作、报警等信息经过一定的技术处理，而形成一种反应信息值的专门报告。其特点是：只反映某一时间间隔内发生显著变化的信息， 而对没有发生显著变化的信息，不产生报告。
例外报告技术的特点有：
a、通过设置的例外报告死区（DB）、最小例外报告时间（Tmin）、最大例外报告时间（Tmax）等参数，有效地控制了产生例外报告的数量，进而控制了网络传送的信息量。
b、通过设置DB，就相当于针对过程监视的数据类型，划定了一个产生例外报告的密度间隔。其结果是数据变化大，产生的例外报告就多，反之就少。并且报告的产出量与数据变化量成正比，而更加符合过程控制的需要。
c、通过设置Tmax参数就相当于针对慢速或平稳变化的数据类型，规定了一个产生例外报告的周期。
d、对过程出现的报警，其报警报告将不受例外报告参数的限制。只要出现报警或从报警返回至正常状态，均产生报告。当然，对报警报告也需划定死区，以限制报警线范围出现重复报警。
例如：攀钢热电厂二期锅炉的蒸汽温度的上限报警值为465℃，下限报警值为420℃，死区=0.2%，变化率=0.2% ，Tmin =0.5s ，Tmax =5s 。
一旦蒸汽温度在死区内波动，当超过死区就要产生例外报告；在正常的区域波动，蒸汽温度的变化超过0.2%（约1℃），才产生例外报告。在Tmin内，只要蒸汽温度在正常范围内波动，不管多大变化都不产生例外报告；在Tmax内，如果蒸汽温度没有产生0.2%的波动，也要产生一个例外报告，这样不会长期得不到他的状态数据。另一方面，如果蒸汽温度超过报警值或是回到正常值立即产生例外报告。
4.2数据压缩技术
数据压缩技术又可以理解为信息打包。在环状网络中，传输的信息格式规定为两帧式。其中第一部分为标题帧，第二部分为数据帧。通过数据打包技术，把去一些相同地址的数据压缩在一起，使用一个标题帧发送出去，从而减少了标题帧的使用次数，节省了信息格式。
4.3 确认重发技术
在环形网络中，所有传输的信息包均应得到目的节点的确认，即：在信息包有一特定的确认节点，目的节点在接到信息包，并经校验没有发现问题后，它应在正常时完成撤消信息的工作。如果在源节点得到的标识NAK，就说明了目的节点没有接到或节点比较忙，处理不了这一信息包所携带的数据，这时就会启动重发逻辑，进行该信息包的重发。实际上，这一技术针对的是数据的完整性。
5. INFI-90系统通讯网络中的硬件
图2硬件图
如图2所示。前面已经讲过：环网的作用就是把PCU和人－机界面连成一个系统。而PCU和计算机要连接到环网上，就要用专门的通讯模件对。PCU使用的是NIS与NPM模件对来连接环网；计算机则使用的是NIS与ICT模件对来连接环网。
NIS与NPM模件对完成PCU与环网的通讯。在NIS模件的一侧连接环网，使之能够参与环网的数据交换；另一侧则通过NPM模件与控制总线相连，从而达到PCU与环网连接的目的，使PCU单元成为环网上一个独立的节点。NPM负责对数据进行定时的扫描，看是否有例外报告的产生。而NIS则负责对例外报告进行打包，上传到环网。它们通过之间的子总线完成连接。
INS与ICT模件对完成人－机接口与环网的通讯。NIS模件一侧连接环网，使之能够参与环网的数据交换；另一侧则通过ICT模件与计算机相连，从而达到人－机接口与环网连接的目的，使人－机接口成为环网上一个独立的节点。
ICT负责与计算机的通讯以及数据的缓冲。而NIS则负责数据的上传工作。它们也通过相互之间的子总线连接。
6. INFI-90系统数据传输的路径
图3 INFI-90系统数据传输的路径
如图3所示。在控制信息的传递中，现场的检测信号、控制输出的信号，均不形成例外报告。而送往其他节点的信息将变成例外报告，再形成信息包加以传输。这种信号的传递过程，既保证了控制信号的快速形成及传递，又控制了网络中的信息数量。
例如操作员在计算机上对锅炉二次风进行调节，调节信号经过传输经ICI端口送到环网上。此调节信号被NIS与NPM的通讯端口在环网上采集到后，经过控制总线传送的MFP，MFP处理后又经过扩展总线送到I/O子模件进行A/D转换。最后由端子板到现场执行机构执行，从而达到控制目的。
7.小结
以上从二期锅炉所使用的INFI-90系统的通讯网络的结构、通讯协议、所使用的主要技术、硬件等几个方面对其进行了论述。从以上的论述可以看出，INFI-90系统的通讯网络结构简单、实用。特别是通讯网络中所使用的技术：例外报告、数据压缩以及数据的确认重发，能够保证数据的高效、准确、安全的进行传输。
INFI-90系统只是众多DCS系统中的一个。当今的 DCS分散控制系统现在已经在化工、石油、冶金、电力、轻工等工业领域得到了广泛的应用。它以良好的技术效果和经济效益，显示出了强大的竞争力，被公认为当今最先进的过程控制系统。相信明天的DCS分散控制系统将在更广泛的领域起着更为重要的作用。
参考文献：
[1]高伟.计算机控制系统[M]. 北京:中国电力出版社.
[2]张新薇.工控网DCS技术讲座[M]. 北京:北京晶宸科技有限公司.
[3]黄一夫.微型计算机控制技术[M]. 北京:机械工业出版社.
[4] ABB公司.ABB Symphony系统资料[M].
[5] ABB公司.ABB过程控制单元教程[M].
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”