IP組播技術(shù)在分散控制系統(tǒng)(DCS)中的應(yīng)用1引言

1引言

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

IP組播的技術(shù)和應(yīng)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(huì)議常用到的IP 組播技術(shù)來提高分散控制系統(tǒng)(DCS)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，優(yōu)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益.

2 IP組播

2.1組播傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)

在IP網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)開銷實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)發(fā)送、多點(diǎn)接收的問題，IP 組播技術(shù)的出現(xiàn)及時(shí)解決了這個(gè)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(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)才開始被復(fù)制和分發(fā)，所以用戶的增加不會(huì)導(dǎo)致信息源負(fù)載的加重以及網(wǎng)絡(luò)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(huì)發(fā)送給需要該信息的接收者，所以不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，并能提高信息傳輸?shù)陌踩?另外，廣播只能在同一網(wǎng)段中進(jìn)行，而組播可以實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)段的傳輸。

2.2組播通信

在組播中，用戶按不同的應(yīng)用分為不同的用戶組,組成員要向組播服務(wù)器(一般為路由器)注冊，用戶主機(jī)發(fā)出請求報(bào)文，表明所要加入的組。每個(gè)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(dá)228個(gè)同步組播群組的地址，因此，實(shí)際群組數(shù)受選路 由表大小而不是編址的約束。

轉(zhuǎn)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(huì)周期性地對該組進(jìn)行查詢,檢查組內(nèi)的成員是否還參與其中，只要還有一個(gè)主機(jī)仍在參與，組播 路由器就繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。當(dāng)所有的主機(jī)都離開了組后，組播路由器會(huì)收到一個(gè)Internet組管理協(xié)議(Internet Group Manage Protocol, IGMP)的“離開”消息報(bào)文，組播路由器就會(huì)馬上查詢組中是否還有活動(dòng)的組成員。如果有活動(dòng)的組成員,組播路由器就繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);如果沒有,就不再轉(zhuǎn)發(fā) 數(shù)據(jù)。

3 IP組播在分散控制系統(tǒng)(DCS)中的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在分散控制系統(tǒng)(DCS)應(yīng)用過程中，存在著大量的DPU上行數(shù)據(jù)，發(fā)送至多個(gè)人機(jī)界面(HMI)系統(tǒng)。正好可以利IP組播的優(yōu)趨，實(shí)行單播/組播相結(jié)合 的混合傳輸方式，通過設(shè)計(jì)合理數(shù)據(jù)交換方案，不僅保證數(shù)據(jù)安全達(dá)到HMI工作站，而且減輕分散處理單元(DPU)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備CPU 的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提高系統(tǒng)效率，獲得良好的性能和經(jīng)濟(jì)性。下圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(wǎng)絡(luò)、人機(jī)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(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)DPU(就是一個(gè)組播源)按需求加入不同的組播組，可以加入多個(gè)組播組，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以組播形式在系統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)布出去;每個(gè)人機(jī)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(gè)組播組，完成組播數(shù)據(jù)的接收。系統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)由備具組播功能的路由器、集 線器、交換機(jī)、防火墻等構(gòu)成，共同完成組播數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。組播主要完成分散處理單元(DPU)到人機(jī)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(shí)際應(yīng)用中，IP組播編程實(shí)現(xiàn)的方法隨DPU嵌入式支撐系統(tǒng)和HMI運(yùn)行系統(tǒng)平臺(tái)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(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信 編程接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上的IP組播通信的功能。下面以在Microsoft Windows環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)編程接口(Windows Socket，簡稱Winsock)介紹具體的IP組播編程實(shí)現(xiàn)的方法。

圖2 Winsock實(shí)現(xiàn)IP組播過程流程圖