DCS过程控制站内IO模件地址重叠识别方法

吴胜华，田海波，王丹麟

DCS过程控制站内IO模件地址重叠识别方法

吴胜华，田海波，王丹麟

（南京国电南自美卓控制系统有限公司，南京 210032）

介绍了一种可用来监测分散控制系统（DCS）过程控制站内IO模件地址发生重叠错误的实用电路，分析了电路原理并进行了试验验证。验证结果表明，该电路运行效果良好。

分散控制系统；IO模件；比较电路；地址重叠

1 技术背景

分散控制系统（DCS）是一种集控制技术、计算机技术、通信技术、网络技术于一体的新型控制系统，而过程控制站是DCS的中央处理单元，是DCS的核心部件，其主要由过程控制器（DPU）和站内的各种IO模件组成。它通过和站内IO模件交换数据实现对现场设备的信号采集和控制；一般来说，每个IO模件在此过程控制站内都分配有一个独一无二的地址，过程控制器一般都通过这些地址来实现和站内IO模件的数据交换。

2 现况分析

过程控制器要实现和站内IO模件的数据交换，需要处理如下几种情况。

（1）站内IO模件地址设置不正确，不在过程控制器配置列表中，则此IO模件不响应过程控制器的通信，过程控制器将不能和此IO模件进行正常的数据交换。

（2）站内IO模件地址设置正确，但类型设置不正确，过程控制器可以根据通信报文中的类型与过程控制器内对应地址配置的类型是否匹配来识别。

（3）站内IO模件地址设置重叠，但地址重叠的模件类型不相同，此时，地址配置正确的IO模件数据读写正常，地址配置错误的IO模件不能正常读写数据，但两种模件之间的数据互不影响。

（4）站内IO模件地址设置重叠，而且地址设置重叠的模件类型相同，此时，地址配置错误的IO模件数据将会影响到地址配置正确的IO模件数据，这样会给现场设备带来很大的危险。

在现场调试过程中，即使发生上述异常情况也能够及时发现，而且调试过程中设备也未全部运行，故带来的危险较小；但在系统商业运行过程中，发生IO模件损坏而更换新的IO模件时，如果维护人员粗心将新的IO模件地址设置错误，造成上述第4种异常情况出现，轻者将引起系统停运，重者将损坏现场设备，给用户带来重大损失。

现在流行的DCS，部分通过IO模件通信是否正常或过程控制器比对IO模件回传通信报文中带有的相关信息来判断；而对于同类型IO模件发生地址重叠的情况，通过通信来预防和判断IO模件地址重叠将大大增加通信的复杂程度，不利于保持过程控制站通信的实时性，会降低整个过程控制站的控制效果。因此，部分DCS厂家对于此类异常情况未做有效措施，仅在说明书中重点要求严禁将IO模件地址设置重叠。

3 设计方案

为避免因过程控制站内IO模件地址重叠而对设备造成损害，设计了一种实用电路，如图1所示（图中：实线表示IO通信网络；虚线表示IO模件地址重叠识别电路连线）。

图1 过程控制站配置架构

（1）过程控制器和IO模件之间通过专用IO通信网络连接，过程控制器和各个IO模件之间通过特定的IO模件地址重叠识别电路连接。

（2）连接在此专用通信网络上的IO模件地址需要不同设置。

（3）连接在此专用通信网络上的IO模件都需要在过程控制站进行配置，配置信息包括IO模件地址和类型等内容。

（4）过程控制器按照配置好的IO模件信息来访问这些IO模件，访问数据中需要包含IO模件的地址信息。

（5）过程控制器访问任意一个IO模件时，被访问到的IO模件（根据访问数据中的地址是否和自身匹配来确定是否访问到自己）将通过通信报文回传自己的数据和类型，同时将对应的IOn_ACK设置为高电平。

4 电路分析

IO模件地址重叠识别电路如图2所示，图2中：标注为“DPU内电路”在DPU内实现；标注为“IO模件n电路”在各个IO模件内实现，每个IO模件内的电路一样。

图2 IO模件地址重叠识别电路

（1）当MACK输出为0时，比较器正端电压为7.42V，当MACK输出为1时，因为R6的电阻远大于R5，故比较器正端电压将略微上升一点，上升幅度基本可忽略不计。

（2）当IO总线上没有IO模件响应时，即任意一个IOn_ACK为零时，比较器负端计算电压为10.75V；此时负端电压高于正端电压，比较器输出为零。

（3）当IO总线上只有一个IO模件响应时，假设模件1响应，则IO1_ACK为5V，此时模件1内电路为电压跟随电路，三极管工作在放大区，则三极管的集电极电流为8.14mA（按PN结压降为0.7 V计算）。

（4）当IO总线上只有一个IO模件响应时，可计算出此时负端电压为8.46V，大于正端电压7.42 V，故此时比较器输出MACK依然为0。

（5）当IO总线上有2个IO模件响应时，可计算出此时负端电压为6.21V，此时负端电压小于正端电压，故比较器输出MACK将变为1。

（6）当IO总线上IO模件响应数量超过2个时，负端电压将变得更小，比较器输出MACK输出依然为1。

（7）DPU通过检测比较器输出MACK的状态则可迅速判断IO总线上是否有IO模件地址重叠，从而执行相应的措施。

利用简单的比较电路，既可保证准确地识别过程控制站内IO模件地址重叠的异常状况，又可保证整个过程控制站的控制效果。

5 实践结果

上述电路使用LTspice IV仿真软件进行仿真，仿真结果如图3所示。

图3 电路仿真结果

在图3中：线1表示比较器正端电压；线2表示比较器负端电压，电压值随着IO模件响应数量的变化而发生改变；线3表示比较器输出MACK的状态，当两个IO模件同时响应时状态变为1。路的DCS已成功鉴别多起实际发生的IO模件地址重叠事件，保证了应用现场的运行稳定。

（本文责编：白银雷）

6 结束语

上述电路目前已在实际DCS中实现，使用本电

TM 743

：A

：1674-1951（2015）03-0029-02

吴胜华（1977—），男，湖北荆门人，高级工程师，工学硕士，从事分散控制系统研发方面的工作（E-mail：shenghua-wu＠sac-metso.com）。

2014-07-10；

2015-01-07