DPU通信總線網運行原理及故障分析

MAXlO0O+PLUS系統是美國MCS公司于1997年推出的集散控制系統，其通信方式采用了冗余的環形令牌式無站通信。這種通信的優點是: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備;采用雙向環形令牌式通信方式確保了系統的安全性;令牌式無站通信保證了無論工業控制對象如何，都可以保證每次通信的有效性，不會出現信息堵塞現象，系統擴展時不會發生數據通道的超載現象。
一、DCS網絡結構
DCS的網絡物理結構為:MAXNET為星形拓撲結構的lOM以太網與1OOM快速以太網混合冗余組成光纜通信局域網(LAN)，用于實現RPU和MAXSTATION之間的通信。網絡由兩個完全獨立的以太子網級組成，分別叫作A網、B網，兩網互相冗余保證系統的可靠性和糾錯能力。網絡設備主要有網線(屏蔽)、FOC(光電轉換器)、OEI(光電接口)、集線器(SWITCH)、交換機(DBM)等。基本結構示意圖如圖1。

DPU通信總線網的實際連接方式如圖2(以DAS系統為例)。在RPU中，DPU和DBM(DPU總線模件)由DPU總線構成的冗余兩級過程控制通信網進行連接。從邏輯上看，上一級是兩條由光纜構成的令牌環網;從物理上看，上一級是該DPU網由OEI通過電纜數據公路連接各個機柜內的DPU。下一級為并行I/0總線，并行總線中每個DPU與相應的I/0連為一體，形成單獨的子系統。

二、每個部件的功能
l、DBM——DPU總線模件
(1)監視功能:監視系統通信狀態，在網絡中斷恢復后重新啟動令牌傳輸。
(2)DBM在網絡通信中的作用是:地址被設定為網絡中最低的地址，如果令牌丟失或DPU總線stall，DBM會打開DPU總線，產生一個新的令牌。
(3)與MAX工作站進行時鐘同步。
(4)存儲本子系統的基本組態數據點、各DPU及I/0模件的組態數據、DPU的可執行文件及各算法程序代碼、當前的報警列表點、趨勢和事件數據，起到MAX工作站的服務器功能。
2、DPU——分散處理單元
(1)對I/0總線和I/0模件的控制，與外部設備如PLC的通信管理。
(2)對所有I/0變量的采集和發送，并對這些輸入/輸出進行運算、轉換和報警處理。
(3)與其它設備進行通信，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連接在高速數據公路上。
(2)把高速數據公路上的光脈沖轉換成電脈沖，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)三類數據通過OEI，即到光纖的光數據、從OEI發送端輸出的數據和從OEI光纖來的環路數據，由OEI的接收端接收，雙向的電數據在OEI和DPU總線之間傳輸。
三、網絡通信原理
光纜環分為順時針(CW)和逆時針(CCW)兩條回路，OEI也按CW和CCW進行標記。數據公路上的各DPU帶有"IN"和"OUT"切換開關，可以將該DPU旁路而不影響總線運行。上、下兩級的通信聯系由光纜上的令牌來傳遞，DBM控制令牌在各DPU之間傳遞。DPU總線根據令牌的傳輸分為3個環路:DPU地址在32~47的為低速環l;DPU地址在48~63的為低速環2;高速環是地址在1~31的DBM、操作員站、工程師站。令牌通常在高速環中傳遞，以保證各DPU數據傳遞的快速性。DBM中的內部時針指揮令牌每1/4秒傳到一個低速環上，下一個1/4秒傳到另一個低速環上。DPU令牌環邏輯示意圖如圖3。

在任一時刻，一個站為主站，擁有令牌，有權力發出信息，當令牌傳到一個站時，下一個站為主站，當新的站接入時，網絡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后傳遞給高速環的最低地址。從高速環到低速環1的時間要0.25s(DBM之間令牌傳遞時間為0.25s，0.25s后令牌傳遞給低速環1，0.25s后令牌傳遞給高速環，0.25s后令牌傳遞給低速環2)，不管令牌在低速環的什么位置上，在0.25s內令牌必須通過低速環的每個站一次。當低速環內最高地址的站完成了傳輸后或時間到了0.25s時，令牌必須傳回高速環，然后進入另一個低速環。因此，在SYSTEM STATUS/MAP/Statistics畫面中，DPU的Token passes/sec的數值一般為"2"。令牌傳遞按照邏輯順序沿著物理線路進行，沒有令牌的站只能響應有令牌站的需求。MAXlO0O+PLUSDPU總線使用"無主"令牌環的通信協議，一個單獨的站故障不會導致DPU總線故障(這就是DPU被拔出后系統狀態環仍然為綠色的原因)。從低層網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，一個站只有當從另一個站接收令牌時才能決定電纜的狀態。
四、根據報警狀態分析網絡故障的方法
1、一般原則
●電纜狀態由正在接收令牌的站所決定。
●當接收站只能在其中一條站上聽到上一個站傳遞的令牌信息時，產生EC、ECC報警。
●當接收站不能通過高速環聽到自己的回聲時，產生OC、OCC報警。
●當接收站既聽不到令牌信息也聽不到自己的回聲時，產生BC、BCC報警。
●如果所有的站報告OC、OCC、BC、BCC，故障，最有可能在光纖回路上;如果至少有一個站沒有報告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的報警。

分析步驟:
(1)畫出網絡實際連接示意圖(圖4)，是分析網絡故障的有力工具(必須真實、準確)。
(2)報警中出現的均為BCC、OCC、ECC，說明故障回路在CCW回路中。
(3)首先分析唯一出現ECC報警的DAS50。DAS50出現ECC報警，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行的原則)。
(4)根據步驟3，分析DAS48的BCC報警。由于BCC=OCC+ECC，首先分析OCC產生的原因是DAS48無法通過 OEI的高速環經過DAS56→DAS57→DAS54→DAS55→DAS52→DAS53→DAS5O→DAS5l→DAS48回路聽到自己的回聲。聯系步驟3，這證明故障在DAS48-DAS5l-DAS50之間的連接上。再分析ECC產生的原因。DAS48按照邏輯順序(見DPU令牌環邏輯示意圖)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，通過這個回路可以進一步證明故障在DAS48→
DAS5l→DAS50之間的連接上。
(5)分析DAS51的OK狀態，DAS51能夠接收DAS50的令牌傳遞也能夠通過OEI的高速環聽到自己的回聲，說明DAS5l→DAS50之間的連接是好的。
(6)因此得出結論:故障在DAS48→DAS51的CCW電纜連接上。至于其它DPU的報警原因，同樣與此結論相符。
五、結束語
以上例子簡單說明了網絡回路故障的判斷方法。當然導致網絡出現故障報警的部件還有OEI、DPU、DBM、光纖故障等，它們均有自身的一些報警說明，請讀者自行學習相關產品說明書即可。