IP組播技術在分散控制系統(tǒng)(DCS)中的應用1引言

1引言

隨著經濟全球化發(fā)展,分散控制系統(tǒng)(DCS)逐步形成融合信息技術(IT)、集成多種總線、采用功能安全技術集管控、儀控、電控一體化方向發(fā)展。同時對分散控制系統(tǒng)(DCS)應對復雜大型系統(tǒng)架構和超大容量的數(shù)據(jù)交互提出更高要求。

IP組播的技術和應用開始快速發(fā)展。對分散控制系統(tǒng)(DCS)的超大容量的數(shù)據(jù)交互提供了新的思路。本文通過采用視頻會議常用到的IP 組播技術來提高分散控制系統(tǒng)(DCS)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、準確性，優(yōu)化系統(tǒng)網絡結構, 以獲得更好的經濟效益.

2 IP組播

2.1組播傳輸?shù)膬?yōu)點

在IP網絡中TCP/IP 傳送方式有3 種: 單播, 廣播, 組播。

傳統(tǒng)的單播和廣播的通信方式均不能以最小的網絡開銷實現(xiàn)單點發(fā)送、多點接收的問題，IP 組播技術的出現(xiàn)及時解決了這個問題。

相比單播來說，組播的優(yōu)勢在于：由于被傳遞的信息在距信息源盡可能遠的網絡節(jié)點才開始被復制和分發(fā)，所以用戶的增加不會導致信息源負載的加重以及網絡資源消耗的顯著增加。

相比廣播來說，組播的優(yōu)勢在于：由于被傳遞的信息只會發(fā)送給需要該信息的接收者，所以不會造成網絡資源的浪費，并能提高信息傳輸?shù)陌踩?另外，廣播只能在同一網段中進行，而組播可以實現(xiàn)跨網段的傳輸。

2.2組播通信

在組播中，用戶按不同的應用分為不同的用戶組,組成員要向組播服務器(一般為路由器)注冊，用戶主機發(fā)出請求報文，表明所要加入的組。每個組播群組有惟一 的D類地址。其地址范圍從224.0.0.0到239.255.255.255。IP最多可提供多達228個同步組播群組的地址，因此，實際群組數(shù)受選路 由表大小而不是編址的約束。

轉發(fā)IP組播需要特殊的組播路由器(multicast router)。通常是給常規(guī)路由器添加這種能力。組播路由器會周期性地對該組進行查詢,檢查組內的成員是否還參與其中，只要還有一個主機仍在參與，組播 路由器就繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。當所有的主機都離開了組后，組播路由器會收到一個Internet組管理協(xié)議(Internet Group Manage Protocol, IGMP)的“離開”消息報文，組播路由器就會馬上查詢組中是否還有活動的組成員。如果有活動的組成員,組播路由器就繼續(xù)轉發(fā)數(shù)據(jù);如果沒有,就不再轉發(fā) 數(shù)據(jù)。

3 IP組播在分散控制系統(tǒng)(DCS)中的應用

3.1 系統(tǒng)總體設計

在分散控制系統(tǒng)(DCS)應用過程中，存在著大量的DPU上行數(shù)據(jù)，發(fā)送至多個人機界面(HMI)系統(tǒng)。正好可以利IP組播的優(yōu)趨，實行單播/組播相結合 的混合傳輸方式，通過設計合理數(shù)據(jù)交換方案，不僅保證數(shù)據(jù)安全達到HMI工作站，而且減輕分散處理單元(DPU)和網絡設備CPU 的網絡負荷，提高系統(tǒng)效率，獲得良好的性能和經濟性。下圖1為系統(tǒng)結構示意圖。

圖1：系統(tǒng)結構

系統(tǒng)主要有四部分組成：I/O采集卡件、分散處理單元(DPU)、系統(tǒng)IP網絡、人機界面(HMI)。

如圖1，分散處理單元(DPU)通過總線協(xié)議完成與I/O采集卡件的雙向數(shù)據(jù)交換;在系統(tǒng)設計時，只要按系統(tǒng)具體的數(shù)據(jù)獲取需求，合理劃分不同的組播組， 將每一個DPU(就是一個組播源)按需求加入不同的組播組，可以加入多個組播組，將實時數(shù)據(jù)以組播形式在系統(tǒng)IP網絡發(fā)布出去;每個人機界面(HMI)工 作站(組播數(shù)據(jù)的接收者)，按數(shù)據(jù)獲取要求，分別加入不同的組播組，也可以加入多個組播組，完成組播數(shù)據(jù)的接收。系統(tǒng)IP網絡由備具組播功能的路由器、集 線器、交換機、防火墻等構成，共同完成組播數(shù)據(jù)的轉發(fā)。組播主要完成分散處理單元(DPU)到人機界面(HMI)上行數(shù)據(jù)，其他如控制命令數(shù)據(jù)等，輔以單 播方式完成。

3.2 IP組播Winsock編程方法

在實際應用中，IP組播編程實現(xiàn)的方法隨DPU嵌入式支撐系統(tǒng)和HMI運行系統(tǒng)平臺的不同有所不同的;編程人員通常借助于操作系統(tǒng)中所提供的網絡數(shù)據(jù)通信 編程接口實現(xiàn)網上的IP組播通信的功能。下面以在Microsoft Windows環(huán)境下的網絡編程接口(Windows Socket，簡稱Winsock)介紹具體的IP組播編程實現(xiàn)的方法。

圖2 Winsock實現(xiàn)IP組播過程流程圖