IP組播技術(shù)在分散控制系統(DCS)中的應用1引言

1引言

隨著(zhù)經(jīng)濟全球化發(fā)展,分散控制系統(DCS)逐步形成融合信息技術(shù)(IT)、集成多種總線(xiàn)、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(DCS)應對復雜大型系統架構和超大容量的數據交互提出更高要求。

IP組播的技術(shù)和應用開(kāi)始快速發(fā)展。對分散控制系統(DCS)的超大容量的數據交互提供了新的思路。本文通過(guò)采用視頻會(huì )議常用到的IP 組播技術(shù)來(lái)提高分散控制系統(DCS)數據傳輸的實(shí)時(shí)性、準確性，優(yōu)化系統網(wǎng)絡(luò )結構, 以獲得更好的經(jīng)濟效益.

2 IP組播

2.1組播傳輸的優(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。

傳統的單播和廣播的通信方式均不能以最小的網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)實(shí)現單點(diǎn)發(fā)送、多點(diǎn)接收的問(wèn)題，IP 組播技術(shù)的出現及時(shí)解決了這個(gè)問(wèn)題。

相比單播來(lái)說(shuō)，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(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)才開(kāi)始被復制和分發(fā)，所以用戶(hù)的增加不會(huì )導致信息源負載的加重以及網(wǎng)絡(luò )資源消耗的顯著(zhù)增加。

相比廣播來(lái)說(shuō)，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，并能提高信息傳輸的安全性;另外，廣播只能在同一網(wǎng)段中進(jìn)行，而組播可以實(shí)現跨網(wǎng)段的傳輸。

2.2組播通信

在組播中，用戶(hù)按不同的應用分為不同的用戶(hù)組,組成員要向組播服務(wù)器(一般為路由器)注冊，用戶(hù)主機發(fā)出請求報文，表明所要加入的組。每個(gè)組播群組有惟一 的D類(lèi)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(gè)同步組播群組的地址，因此，實(shí)際群組數受選路 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(xún),檢查組內的成員是否還參與其中，只要還有一個(gè)主機仍在參與，組播 路由器就繼續接收數據。當所有的主機都離開(kāi)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(kāi)”消息報文，組播路由器就會(huì )馬上查詢(xún)組中是否還有活動(dòng)的組成員。如果有活動(dòng)的組成員,組播路由器就繼續轉發(fā)數據;如果沒(méi)有,就不再轉發(fā) 數據。

3 IP組播在分散控制系統(DCS)中的應用

3.1 系統總體設計

在分散控制系統(DCS)應用過(guò)程中，存在著(zhù)大量的DPU上行數據，發(fā)送至多個(gè)人機界面(HMI)系統。正好可以利IP組播的優(yōu)趨，實(shí)行單播/組播相結合 的混合傳輸方式，通過(guò)設計合理數據交換方案，不僅保證數據安全達到HMI工作站，而且減輕分散處理單元(DPU)和網(wǎng)絡(luò )設備CPU 的網(wǎng)絡(luò )負荷，提高系統效率，獲得良好的性能和經(jīng)濟性。下圖1為系統結構示意圖。

圖1：系統結構

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

如圖1，分散處理單元(DPU)通過(guò)總線(xiàn)協(xié)議完成與I/O采集卡件的雙向數據交換;在系統設計時(shí)，只要按系統具體的數據獲取需求，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)數據以組播形式在系統IP網(wǎng)絡(luò )發(fā)布出去;每個(gè)人機界面(HMI)工 作站(組播數據的接收者)，按數據獲取要求，分別加入不同的組播組，也可以加入多個(gè)組播組，完成組播數據的接收。系統IP網(wǎng)絡(luò )由備具組播功能的路由器、集 線(xiàn)器、交換機、防火墻等構成，共同完成組播數據的轉發(fā)。組播主要完成分散處理單元(DPU)到人機界面(HMI)上行數據，其他如控制命令數據等，輔以單 播方式完成。

3.2 IP組播Winsock編程方法

在實(shí)際應用中，IP組播編程實(shí)現的方法隨DPU嵌入式支撐系統和HMI運行系統平臺的不同有所不同的;編程人員通常借助于操作系統中所提供的網(wǎng)絡(luò )數據通信 編程接口實(shí)現網(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(jiǎn)稱(chēng)Winsock)介紹具體的IP組播編程實(shí)現的方法。

圖2 Winsock實(shí)現IP組播過(guò)程流程圖