淺析DCS網(wǎng)絡(luò)故障原因及防范措施

常向陽 張志彬

摘 要：隨著DCS系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)大型電廠的廣泛應(yīng)用，其網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性變得越來越重要。文章通過某電廠機(jī)組在調(diào)試期間發(fā)生的DCS網(wǎng)絡(luò)故障事件進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，并提出了相應(yīng)的解決措施，減少了突發(fā)事件對(duì)機(jī)組狀態(tài)的影響，同時(shí)對(duì)該DCS系統(tǒng)在其他電廠的應(yīng)用也具有較好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：DCS;網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴;網(wǎng)絡(luò)故障;信息網(wǎng)

1 DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1網(wǎng)絡(luò)組成

非安全級(jí)DCS網(wǎng)絡(luò)包括信息網(wǎng)（MNET）和系統(tǒng)網(wǎng)（SNET），如圖1所示。

信息網(wǎng)（MNET）采用冗余快速以太網(wǎng)鏈路，采用TCP/IP通訊協(xié)議，介質(zhì)主要使用五類屏蔽雙絞線或光纖，主要通訊節(jié)點(diǎn)包括操作員站、工程師站和服務(wù)器等;系統(tǒng)網(wǎng)（SNET）采用光纖介質(zhì)組成交換機(jī)環(huán)路的快速以太網(wǎng)，基于TCP/IP協(xié)議;控制站、實(shí)時(shí)服務(wù)器、通訊站和工程師站通過采用五類屏蔽雙絞線或光纖與交換機(jī)連接，主要通訊節(jié)點(diǎn)包括實(shí)時(shí)服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)控制站、通訊站和工程師站等。

2 事件經(jīng)過

2020年3月19日10點(diǎn)45分，某電廠機(jī)組SNET A網(wǎng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，一層控制器及通訊站的SNET A網(wǎng)開始出現(xiàn)大面積的網(wǎng)絡(luò)故障，在短時(shí)間內(nèi)所有控制器的SNET A網(wǎng)故障，大部分通訊站的SNET A網(wǎng)故障，并且部分控制器出現(xiàn)SNET A和SNET B同時(shí)故障的情況。

隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，新增較多控制器同時(shí)出現(xiàn)SNET A和SNET B網(wǎng)故障的情況，其中主、從控制器同時(shí)出現(xiàn)SNET A 和SNET B的情況新增了較多。

為了盡快恢復(fù)DCS一層網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)SNET A網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行了斷電重啟，發(fā)現(xiàn)較多的控制器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)恢復(fù)正常，但仍有部分控制器顯示SNET A網(wǎng)和SNET B網(wǎng)故障，后在機(jī)柜側(cè)通過對(duì)控制器進(jìn)行復(fù)位后，控制器及網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常。

該網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴造成SNET A網(wǎng)失效8小時(shí)，整個(gè)故障過程中，DCS系統(tǒng)控制器邏輯處理功能正常，未對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備造成擾動(dòng);SNET A網(wǎng)故障的控制器成功切換到SNET B網(wǎng)，二層可對(duì)其正常操作和顯示;8小時(shí)內(nèi)共有16個(gè)控制器出現(xiàn)雙網(wǎng)故障，其中有2個(gè)控制器互為冗余，該控制柜孤島運(yùn)行，二層無法顯示和操作。

3故障原因分析

造成網(wǎng)絡(luò)故障的直接原因?yàn)镾NET A網(wǎng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障。當(dāng)SNET A網(wǎng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大量復(fù)制、傳播，造成SNET A網(wǎng)交換機(jī)超負(fù)荷，從而導(dǎo)致整個(gè)SNET A網(wǎng)絡(luò)癱瘓;造成網(wǎng)絡(luò)故障的根本原因是交換機(jī)電路板交換芯片外圍電路晶振相連的濾波電容一端焊錫少，造成晶振頻率偏差，MAC芯片由于濾波電容焊錫少出現(xiàn)功能異常，形成物理環(huán)路并造成網(wǎng)絡(luò)故障影響交換芯片功能。

為了防止網(wǎng)絡(luò)故障造成控制器超負(fù)荷，導(dǎo)致控制器復(fù)位，控制器具有網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)功能。該功能的處理機(jī)制如下：

3.1當(dāng)控制器檢測(cè)到網(wǎng)口超負(fù)荷時(shí)，關(guān)閉該網(wǎng)口;

3.2關(guān)閉網(wǎng)口后，控制器會(huì)不停重試該網(wǎng)口，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)故障是否消失，重試間隔為1分鐘。如果消失，則恢復(fù)網(wǎng)口;如果沒有消失，則繼續(xù)關(guān)閉網(wǎng)口;由于控制器處理能力有限，重試次數(shù)過多會(huì)造成控制器軟件錯(cuò)誤，導(dǎo)致雙網(wǎng)故障。

4防范網(wǎng)絡(luò)故障措施

4.1設(shè)置RSTP 協(xié)議

非安全級(jí)DCS系統(tǒng)使用的交換機(jī)支持防范網(wǎng)絡(luò)故障的功能，在所有連接其它交換機(jī)的端口（以下簡(jiǎn)稱互聯(lián)端口）設(shè)置了RSTP協(xié)議。該協(xié)議可應(yīng)用于環(huán)路網(wǎng)絡(luò)，通過一定的算法實(shí)現(xiàn)路徑冗余，同時(shí)將環(huán)路網(wǎng)絡(luò)修剪成無環(huán)路的樹型網(wǎng)絡(luò)，從而避免報(bào)文在環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中的增生和無限循環(huán)。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中所有站點(diǎn)組成環(huán)形連接，具有自愈特性。當(dāng)環(huán)網(wǎng)上所有部件均正常工作時(shí)，交換機(jī)會(huì)通過RSTP協(xié)議自動(dòng)設(shè)置斷點(diǎn);當(dāng)環(huán)網(wǎng)上一部件工作不正常形成開路時(shí)，網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)機(jī)制能夠檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)故障，并連接自動(dòng)設(shè)置的斷點(diǎn)，瞬時(shí)激活備用鏈路，使傳輸介質(zhì)發(fā)生。

4.2開啟環(huán)路檢測(cè)功能

為了防止業(yè)務(wù)終端接入式故障影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)連接業(yè)務(wù)終端（如控制器、主機(jī)）的端口（以下簡(jiǎn)稱業(yè)務(wù)端口）開啟了環(huán)路檢測(cè)功能。

端口環(huán)路檢測(cè)：為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路，以避免對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)造成嚴(yán)重影響，需要提供一種檢測(cè)機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)環(huán)路時(shí)能夠自動(dòng)關(guān)閉出問題的端口以消除環(huán)路，這種機(jī)制就是端口環(huán)路檢測(cè)機(jī)制。當(dāng)鏈路上存在環(huán)路情況時(shí)，最后會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有的MAC地址都移動(dòng)到了存在環(huán)路的端口上了（大多的情況是MAC地址頻繁在不同端口間切換），導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行端口環(huán)路檢測(cè)非常必要。

4.3增加端口速率違背功能

為了防止RSTP協(xié)議失效，對(duì)特定交換機(jī)的互聯(lián)端口增加端口速率違背功能，輔助于RSTP協(xié)議，減少網(wǎng)絡(luò)中因故障引起的網(wǎng)絡(luò)震蕩和不穩(wěn)定。如圖2所示的交換機(jī)端口上配置端口速率違背功能。

5結(jié)語

隨著我國(guó)工業(yè)化的快速發(fā)展，對(duì)DCS系統(tǒng)的要求要越來越高，DCS系統(tǒng)的應(yīng)用使自動(dòng)化儀表裝置向系統(tǒng)化，分散化，多樣化和高性能化的方向產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍，也大大促進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，仍舊存在著一些問題，這些問題的存在對(duì)系統(tǒng)的整體運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、可靠性產(chǎn)生了一定的影響，因此需加大對(duì)這些問題的重視和研究力度。本文通過介紹某品牌DCS系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)生的問題，提出了詳細(xì)的解決方法，經(jīng)過驗(yàn)證，效果改善明顯，有效避免了故障范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)其他電廠的應(yīng)用也具有非常實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)價(jià)值。

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（中國(guó)核電工程有限公司華東分公司，浙江 海鹽 314300）