DPU通信总线网运行原理及故障分析

MAXlO0O+PLUS系统是美国MCS公司于1997年推出的集散控制系统，其通信方式采用了冗余的环形令牌式无站通信。这种通信的优点是:采用了可抗各种电磁干扰、不受潮湿影响、无接地问题的光纤作为其通信设备;采用双向环形令牌式通信方式确保了系统的安全性;令牌式无站通信保证了无论工业控制对象如何，都可以保证每次通信的有效性，不会出现信息堵塞现象，系统扩展时不会发生数据通道的超载现象。
一、DCS网络结构
DCS的网络物理结构为:MAXNET为星形拓扑结构的lOM以太网与1OOM快速以太网混合冗余组成光缆通信局域网(LAN)，用于实现RPU和MAXSTATION之间的通信。网络由两个完全独立的以太子网级组成，分别叫作A网、B网，两网互相冗余保证系统的可靠性和纠错能力。网络设备主要有网线(屏蔽)、FOC(光电转换器)、OEI(光电接口)、集线器(SWITCH)、交换机(DBM)等。基本结构示意图如图1。

DPU通信总线网的实际连接方式如图2(以DAS系统为例)。在RPU中，DPU和DBM(DPU总线模件)由DPU总线构成的冗余两级过程控制通信网进行连接。从逻辑上看，上一级是两条由光缆构成的令牌环网;从物理上看，上一级是该DPU网由OEI通过电缆数据公路连接各个机柜内的DPU。下一级为并行I/0总线，并行总线中每个DPU与相应的I/0连为一体，形成单独的子系统。

二、每个部件的功能
l、DBM——DPU总线模件
(1)监视功能:监视系统通信状态，在网络中断恢复后重新启动令牌传输。
(2)DBM在网络通信中的作用是:地址被设定为网络中最低的地址，如果令牌丢失或DPU总线stall，DBM会打开DPU总线，产生一个新的令牌。
(3)与MAX工作站进行时钟同步。
(4)存储本子系统的基本组态数据点、各DPU及I/0模件的组态数据、DPU的可执行文件及各算法程序代码、当前的报警列表点、趋势和事件数据，起到MAX工作站的服务器功能。
2、DPU——分散处理单元
(1)对I/0总线和I/0模件的控制，与外部设备如PLC的通信管理。
(2)对所有I/0变量的采集和发送，并对这些输入/输出进行运算、转换和报警处理。
(3)与其它设备进行通信，如与其它DPU及DBM的通信。
3、0EI(Optical-EIectrical Interface)——电接口耦合器
(1)将DPU和DBM连接在高速数据公路上。
(2)把高速数据公路上的光脉冲转换成电脉冲，将电脉冲通过电缆送入DPU。
(3)放大光信号，保证回路中的光信号保持有效的信号电平。
(4)三类数据通过OEI，即到光纤的光数据、从OEI发送端输出的数据和从OEI光纤来的环路数据，由OEI的接收端接收，双向的电数据在OEI和DPU总线之间传输。
三、网络通信原理
光缆环分为顺时针(CW)和逆时针(CCW)两条回路，OEI也按CW和CCW进行标记。数据公路上的各DPU带有"IN"和"OUT"切换开关，可以将该DPU旁路而不影响总线运行。上、下两级的通信联系由光缆上的令牌来传递，DBM控制令牌在各DPU之间传递。DPU总线根据令牌的传输分为3个环路:DPU地址在32~47的为低速环l;DPU地址在48~63的为低速环2;高速环是地址在1~31的DBM、操作员站、工程师站。令牌通常在高速环中传递，以保证各DPU数据传递的快速性。DBM中的内部时针指挥令牌每1/4秒传到一个低速环上，下一个1/4秒传到另一个低速环上。DPU令牌环逻辑示意图如图3。

在任一时刻，一个站为主站，拥有令牌，有权力发出信息，当令牌传到一个站时，下一个站为主站，当新的站接入时，网络其它站按照地址试着向其传递令牌，直到建立通信。令牌传递按照一个逻辑顺序:从地址最低的向高的依次传递，到47后传递给高速环的最低地址。从高速环到低速环1的时间要0.25s(DBM之间令牌传递时间为0.25s，0.25s后令牌传递给低速环1，0.25s后令牌传递给高速环，0.25s后令牌传递给低速环2)，不管令牌在低速环的什么位置上，在0.25s内令牌必须通过低速环的每个站一次。当低速环内最高地址的站完成了传输后或时间到了0.25s时，令牌必须传回高速环，然后进入另一个低速环。因此，在SYSTEM STATUS/MAP/Statistics画面中，DPU的Token passes/sec的数值一般为"2"。令牌传递按照逻辑顺序沿着物理线路进行，没有令牌的站只能响应有令牌站的需求。MAXlO0O+PLUSDPU总线使用"无主"令牌环的通信协议，一个单独的站故障不会导致DPU总线故障(这就是DPU被拔出后系统状态环仍然为绿色的原因)。从低层网返回的令牌与开始交换的令牌不同，原因是令牌包含的返回地址不同。因此，一个站只有当从另一个站接收令牌时才能决定电缆的状态。
四、根据报警状态分析网络故障的方法
1、一般原则
●电缆状态由正在接收令牌的站所决定。
●当接收站只能在其中一条站上听到上一个站传递的令牌信息时，产生EC、ECC报警。
●当接收站不能通过高速环听到自己的回声时，产生OC、OCC报警。
●当接收站既听不到令牌信息也听不到自己的回声时，产生BC、BCC报警。
●如果所有的站报告OC、OCC、BC、BCC，故障，最有可能在光纤回路上;如果至少有一个站没有报告OC、OCC，故障最有可能在电缆回路上。

2、举例说明
SYSTEM STATUS画面中ECW、OCW为绿色，ECCW、OCCW为红色，且SYSTEM STATUS/MAP有如表1的报警。

分析步骤:
(1)画出网络实际连接示意图(图4)，是分析网络故障的有力工具(必须真实、准确)。
(2)报警中出现的均为BCC、OCC、ECC，说明故障回路在CCW回路中。
(3)首先分析唯一出现ECC报警的DAS50。DAS50出现ECC报警，说明它无法收到DAS49的令牌传输，则故障部位在DAS49-DAS48-DAS51-DAS50之间的连接上(要牢记令牌传递按照逻辑顺序沿着物理线路进行的原则)。
(4)根据步骤3，分析DAS48的BCC报警。由于BCC=OCC+ECC，首先分析OCC产生的原因是DAS48无法通过 OEI的高速环经过DAS56→DAS57→DAS54→DAS55→DAS52→DAS53→DAS5O→DAS5l→DAS48回路听到自己的回声。联系步骤3，这证明故障在DAS48-DAS5l-DAS50之间的连接上。再分析ECC产生的原因。DAS48按照逻辑顺序(见DPU令牌环逻辑示意图)接收DAS47的令牌传递回路为DAS47→DAS49→DAS48→DAS5l→DAS50→DAS53→DAS52→DAS55→DAS54→DAS57→DAS56→光纤回路→DBMl→DBM2→DBMl→光纤回路→DAS56→DAS57→DAS54→DAS55→DAS52→DAS53→DAS5O→DAS5l→DAS48，通过这个回路可以进一步证明故障在DAS48→
DAS5l→DAS50之间的连接上。
(5)分析DAS51的OK状态，DAS51能够接收DAS50的令牌传递也能够通过OEI的高速环听到自己的回声，说明DAS5l→DAS50之间的连接是好的。
(6)因此得出结论:故障在DAS48→DAS51的CCW电缆连接上。至于其它DPU的报警原因，同样与此结论相符。
五、结束语
以上例子简单说明了网络回路故障的判断方法。当然导致网络出现故障报警的部件还有OEI、DPU、DBM、光纤故障等，它们均有自身的一些报警说明，请读者自行学习相关产品说明书即可。