1.前言
    远程I/O，是应用于新华DCS产品XDPS-400中的一个子系统，它可直接放置于各控制现场。机柜内采用高可靠性的I/O卡件，完成对各类现场信号的数据采集，并用10M以太网(EtherNet)与DPU通信,可完成一些较复杂的输出控制。远程I/O的控制器，采用高性能标准PC104工控模块，TCP/IP通信协议。每个远程I/O站的控制器，既可用于单网通信与控制配置，也可以冗余配置，构成冗余通讯与控制。
在远程I/O系统中，除了必须有高可靠性的I/O功能硬件外，通信技术也是直接影响系统性能的关键因素之一。
2．网络型站控制卡
2.1 功能简介
    网络型站控制卡（以下简称BCnet）是应用于XDPS-400产品中的一个功能卡，它承担着管理I/O站内各卡，同时又承担与上位计算机进行以太网(EtherNet)通讯接口任务。该卡的设计采用标准的高性能PC104工控模块，并利用卡上的以太网接口，配上I/O驱动软件，实现高可靠性的I/O控制与网络通信。
    BCnet卡既可单卡配置，用于单网通信与控制，也可以双卡配置，构成冗余通讯与控制系统。
2.2 主要技术特性
(1)采用32位CPU的 PC104标准模块集成；
(2)4M容量的RAM，DOC/FlashDisk 512K-8M；
(3)10M以太网接口，TCP/IP网络协议；
(4)高性能实时钟；
(5)XBUS总线接口，支持热插拔；
(6)可并联冗余使用，构成冗余控制及通信；
(7)电源电压适应范围12-30V  总功耗<5W；
(8)SOE同步时钟4KHz，分辨率小于1ms。
2.3 硬件电路组成：
    BCnet卡主要由CPU与网络接口电路、总线接口电路、电源变换电路三部分组成。
    CPU与网络接口电路采用高性能的PC104工控模块，80386CPU，40M晶振，4M容量的随机存贮器，8M容量的DOC/Flash存贮器。CPU程序监督电路（WatchDog）、状态指示、调试串口RS232等都已设计在其中。卡上带以太网（EtherNet）接口，10M通信速率。
    总线接口电路采用通用总线接口驱动芯片及加上抗静电措施，带电热插拔可靠方便；用高集成度的复杂可编程逻辑电路(CPLD)构成CPU的外围逻辑电路，简化了逻辑电路设计。高精度的实时时钟电路(DS12C887)，每月累计误差小于1分钟。
    电源变换电路采用PWM专用开关电源调整芯片，能适应宽范围 (12V-30VDC) 的输入电压，具有更强的抗干扰能力。整个模块可由冗余电源并联供电。图1为硬件电路的方框图。

2.4 软件设计
2.4.1 软件特点
    整个软件全部采用结构化程序设计，用C++高级语言与ASM86汇编语言混合编程，经编译、连接生成可在DOS下运行的可执行文件。程序由I/O扫描、网络通信、双机冗余等几部分组成。I/O扫描程序负责与下位机进行数据交换；自动循环扫描所有挂接在外部总线上的I/O卡件，识别其类型，读取各卡的实时采样值，传送输出值至输出端。网络通信程序负责与上位机进行数据交换及时钟同步校对；大部分的网络通信采用TCP/IP中的UPD(用户数据包)格式传送。双机冗余程序负责同一导轨箱内两块BCnet卡之间的数据交换与状态跟踪，在硬件或通信发生问题时，及时地进行双机自动切换。
2.4.2 采用TCP/IP网络通信协议
    TCP/IP（传输控制协议/网际协议）网络体系起源于美国。它虽不是ISO标准，但由于其越来越广泛地被应用，特别是InterNet技术的发展，TCP/IP已成为一种"事实上的标准"。图2是TCP/IP与ISO七层协议之间的对应关系。
    在Bcnet卡上，软件是基本DOS操作系统的可执行程序，我们在设计中采用了DOS环境下的TCP/IP驱动。由于CPU采用Intel80386，所以在编程中，特别注意语句指令的执行效率，并尽量避免出现浮点数运算。
2.4.3 动态I/O扫描控制
    Bcnet卡上软件中，内存空间中定义了三个动态表格：信息描述表，输入数据表，输出数据表。
    信息描述表是专用于存贮当前卡件箱内各卡件状态信息的数据区。DPU定期获取该信息，以得到现场各采集卡的最新状态。输入数据表是专于存贮采集输入数据的数据区，其内部数据的排列次序与信息描述表一致，BCnet卡会定时地将输入数据表对外广播。输出数据表用于记录来自     DPU的输出指令，每次有新的数据更新后，BCnet都会将输出数据传递至各目标输出卡。
    BCnet主程序每个周期不停地与整个卡件箱中的所有I/O功能卡通信。将每次的通信状态及卡件信息与信息表描述表中的状态比较，发现有变化就马上更新表中的内容，立即通知DPU。每次输入扫描后，将各卡采集的输入数据录入内存中的输入数表。每个周期都要检查输出数据表的状态，若发现已被DPU更新过，则立即将新的数据分发至各输出卡。
2.4.4 双机冗余互为跟踪
    双BCnet和其它I/O卡共用外部总线，利用它进行传递双机间的内部信息。确保双机在运行中的数据与状态时刻保持一致，以达到相互跟踪的目的。
    若出现软硬件死机时，原处主控的BCnet卡就会被WatchdDog电路强制性地切为非主控态。当双BCnet运行中，若出现主控态的BCnet卡通讯故障，则会自动将控制权转至通讯正常的另一BCnet卡上。在每个BCnet卡的面板上都装有控制状态指示灯(Master/Slave)和运行状态指示灯（Run）及网络通信指示灯 (Com)、故障状态指示灯(Fail)。
图3为软件主程序的流程图。

3.组网方法
3.1 双绞线星形结构
    此方式适用于距离在180米以内的控制系统。如图4所示，各现场采集站只需用双绞线用集线器(HUB)就可与远程的DPU进行联网通讯。此方式结构简单，即使采用冗余配置，其成本也较低，多数项目都可采用此方式。

3.2 光纤网结构
    当远程站距离较远，但小于40公里时，可采用光纤组网。图5是采用收发器方式的星型结构光纤网的组网拓朴图。该方式下，双绞线RJ45连接头的电气信号由光电收发器变换成光信号经光纤向远处传输。此方式组网成本相对较低。图6是环形方式光纤网的组网拓朴图。因为是环型结构，光电接口采用Switch-HUB，当出现环路中一处开路故障时，Switch-HUB能自动判断故障点，并重构一条闭合的光回路，继续工作。此组网形式可靠性优于收发器形式，但成本相对较高。

4．结束语
    将以太网作为现场总线应用于电站DCS控制系统目前还刚起步。新华公司的XDPS-400中以此技术构成的远程I/O在浙江长兴电厂和辽宁辽源电厂得到了成功应用。其控制性能优于其它类型的串行总线系统。经多个项目试点运行后，基于以太网的现场总线通信技术将会随XDPS-400一起，更进一步地推广应用。