以太网在石油化工自动化中的应用

　　摘要：为了推动石油化工自动化的发展，依据太网技术的发展，本文介绍了以太网的基本知识及在石油化工自动化中的应用，并通过基于以太网的SCADA系统分析了以太网的结构和功能，说明了应用以太网技术是石油化工自动化的发展方向之一。
　　　　
　　一、引言
　　
　　以太网产生于1973年，当时，施乐公司的BobMetcalfe在一张餐巾纸上勾画出Ethernet的基本轮廓，这张餐巾纸现在还保存在施乐公司的PaloAlto研究中心。zui初的Ethernet标准通讯速率是2.94Mbps。在施乐公司和In公司、DigitalEquipment公司合作开发了DIX2.0标准后，Ethernet在粗同轴电缆上的传输速率变成了10Mbps。同一时期，电气与电子工程师协会（IEEE）了Ethernet的CSMA/CD802.3标准。1983年CSMA/CD802.3标准正式确定并被采用。近几年来，随着计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革，Ethernet逐渐的进入工业领域。据统计，目前在工业领域有超过100种通讯协议被应用于各种各样的工业计算机平台之间的数据交换，从智能传感器到参域的监控系统都在应用Ethernet。Ethernet是目前可用的zui常见的网络协议，因而控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流，以太网作为目前应用的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域将会得到了越来越多的应用。
　　
　　二、以太网技术介绍及其发展趋势
　　
　　一般来讲，控制系统网络可分为3层：信息层、控制层和设备层（传感/执行层）。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他网络。目前，以太网已经渗透到了控制层和设备层，很多的PLC和远程I/O供应商都能提供支持TCP/IP的以太网接口的产品。以太网之所以给自动化市场带来风暴式的革命，主要有3个原因：（一）低成本的刺激和速度的提高；（二）现代企业对实时生产信息有越来越多的要求；（三）以太网的开放性和兼容性。
　　
　　早期的以太网，多节点共享同一个传输媒体，称为共享以太网（SharedEthernet），节点间通信采用广播方式，易发生冲突。共享以太网用CSMA/CD技术来避免冲突，即发送方检测到冲突就暂停发送，随机延迟一段时间后再重新发送直到成功。由于延迟时间是随机的，不能事先知道，因而共享以太网的时间响应具有不确定性，不能用于强实时性场合。
　　
　　交换以太网（SwitchedEthernet）的出现克服了这一缺点，以太网的交换机（Switch）是数据链路层（ISO/OSI参考模型第二层）的多端口网桥，也可以说是智能分配器。交换机将其管理的网络以星型拓扑结构划分为许多物理上互相隔离而逻辑上互相的节点，每一节点单独与交换机建立物理连接，在通信的时候交换机会在发送端口与接受端口间建立一个独占的全双工通道，它具有以太网的全部带宽并避免冲突。
　　
　　交换以太网在获得确定性的同时，传输速度也有极大的提高。千兆以太网已普及，10Gb/s的交换以太网正在开发。当以太网用于信息技术时，应用层含有HTTP（超级文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单电子邮件传送协议）和net（远程登录）。这些基于TCP/IP的协议簇已经成为工业界事实上的网络标准，在不同厂商的不同网络系统互联方面起着关键作用。但当以太网用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。工业以太网和Internet技术的发展将*改变传统工业企业的网络架构。工业以太网已经从信息层向下延伸到控制层和设备层采用以太网架构以后，控制器的位置也可以突破传统网络架构的限制，可以位于现场，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至远程I/O支持以太网的功能越来越强，在有些控制器和远程I/O模块中已经集成了Web服务器，从而允许信息层的用户也可以和控制层的用户一样直接获取控制器和远程I/O模块中的当前状态值。采用以太网架构和开放的软件系统的制造企业也被称为“透明工厂”。此外，通过Internet可以实现对工业生产过程的实时远程监控，将实时生产数据与ERP系统以及实时的用户需求结合起来，使生产不只是面向定单的生产，而是直接面向机会和市场的“电子制造”，从而使企业能够适应经济化的要求。
　　
　　许多工业控制系统正在致力于发展IP和以太网技术，当前快速发展的信息技术已经成为工业控制网络的一部分。目前，以太网技术的发展情况如表1所示。
　　

现场总线协议	对以太网的服务	应    用
基金会现场总线（FF）	FF HSE	FMS与UDP/IP之间的映射
Profibus	ProfiNet	与TCP/IP之间的接口
Modbus	Modbus TCP	Modbus与TCP/IP之间的接口
ControlNet和DeviceNet	CIP on 以太网	CIP与TCP/IP之间的接口
LonWorks	iLon	Lontalk与TCP/IP之间的接口
Interbus	Interbus on 以太网	与TCP/IP之间的接口

　　现场总线协议对以太网的服务应用
　　
　　基金会现场总线（FF）FFHSEFMS与UDP/IP之间的映射
　　
　　ProfibusProfiNet与TCP/IP之间的接口
　　
　　ModbusModbusTCPModbus与TCP/IP之间的接口
　　
　　ControlNet和DeviceNetCIPon以太网CIP与TCP/IP之间的接口
　　
　　LonWorksiLonLontalk与TCP/IP之间的接口
　　
　　InterbusInterbuson以太网与TCP/IP之间的接口
　　
　　三、串口上网技术
　　
　　在系统网络化的过程里,由于许多传统的串口设备未具备联网能力,在控制指令与设备信息的传递上,必须要有串行通讯转TCP/IP网络的方案[4]。而串口通讯网络技术简单、易用，性价比高，是系统网络化的理想选择。现在市场上已出现MOXA的Nport系列串口上网服务器。使用MOXA的标准串口驱动程序，MOXA的串行端口可以被仿真成是远程的COM端口，不需要更改系统原有使用串行通讯的应用软件或通讯元件。好处在于，有了Windows和Linux/Unix的驱动程序支持，Nport家族可以立即让串口设备具备联网的能力。Nport家族设备联网服务器包含完整的TCP/IP协议。它可以把串口数据包装成TCP封包，并转换成可以在Ethernet上传送的Frame，传送到主机的以太网卡上。主机以自己的TCP/IP协议解封包后，应用程序可以接收到完整的串口数据。通过Nport家族TCP端口，可不是用驱动程序，而以TCP/IPSocket来存取串口数据。这种解决方案适合于所有具备TCP/IP连接功能的系统。让串口设备具备TCP/IP网络界面，可提高企业管理与原作效率。由TCP/IP网络可远程、机动性管理的特性，大大减低系统故障维护与人力成本，是一个底成本效益的串口设备管理模式。
　　
　　四、基于以太网的SCADA系统
　　
　　现代输油管道自动化管理多采用SCADA系统（分布式数据采集和监控系统），在国内外输油管道设计中，SCADA系统已成为*的选择和管道系统管理与控制的标准化设施，计量站、调压站、清管站、阴极保护站等均由SCADA系统实行遥测、遥控。
　　
　　1 SCADA系统的基本配置
　　
　　1.1中心控制级（控制中心）
　　
　　调度控制中心是SCADA系统的中枢，对管道进行连续的监控和管理。系统应能够确保数据采集和储存的完整性、及时性、准确性、安全性、可靠性，同时系统应具有支持开放性，支持用户开发、补充和完善应用功能。
　　
　　调度控制中心的计算机系统一般按客户机/服务器结构，设置使用实时任务操作系统，服务器和局域网采用热备冗余配置。该控制中心配有操作员工作站、工程师站、终端站、大屏幕投影系统、路由器（冗余配置）、调制解调器等。
　　
　　1.2站场控制级（站控系统）
　　
　　站控系统是SCADA系统的远方监控站，是保证SCADA系统正常运行的基础，分别设置分布在各地控制室内。站控制系统主要由过程控制单元、操作员工作站、数据通信接口等构成。过程控制单元采用技术性能优、可靠性高的可编程逻辑控制器（PLC）和I/O框架的连接网络。做为人机接口的操作员工作站采用工业级工作站型计算机。
　　
　　站控系统硬件配置包括：PLC，操作员工作站、激光打印机、路由器、操作台等。
　　
　　1.3系统同步
　　
　　为保证SCADA系统各部分数据的一致性，保持整个系统的同步非常重要。首先在调度控制中心设置了GPS时钟作为全系统的标准时间，并要求各站控系统硬件时钟误差不超过1s。系统时钟同步是由前端机向各现场发送时钟校核一次；RTU重新启动时必须校核；中断的通信获得恢复时应该校验。
　　
　　系统的接地和保护。自控系统接地采用等电位连接。各站控制室内操作站、操作台、机柜等均应做保护接地，保护接地接至电气的安全接地网。
　　
　　仪表信号回路接地端和屏蔽接地端接至信号接地网。保护接地和信号接地电阻均小于4Ω，信号接地网与电气的安全接地网分别接至电位接地极。
　　
　　2 SCADA系统的硬件组成
　　
　　组成SCADA系统的主要是PLC和DCS
　　
　　SCADA系统属中小规模的测控系统。它集成了PLC的现场测控功能强和DCS的组网通讯能力强的两大优点，性能价格比高。
　　
　　3 新一代以太网的SCADA系统
　　
　　随着计算机技术、通讯技术的深刻变化，大范围输油管道工程中监控系统的实现手段也必将发生本质的变化。而传统的建立在穿行CDT/POLLING规约基础上的SCADA系统难以满足大规模输气网络监控要求。
　　
　　输油工程的各个系统之间（输油调度监控系统等）越来越紧密，必须统一考虑。所以提出以太网（局域网、城域网、广域网）为通信基础的面向整个输油系统的大对象。通过计算机软件平台（UNIX，Linux，Windows，Java等）集成了SCADA功能。首先，需要各地分配站到调度中心铺设光纤。基本思路是以路由器、光纤网络交换机、光纤构建一个以千兆光纤以太网为骨干，百兆光纤为子网或分支的高速网络。
　　
　　控制中心间通信协议ICCP可使一个输油控制中心与同一企业的其他输油控制中心，其他输油企业、联营企业、区域控制中心、独立采用部门等通过广域网（WAN）进行数据交换，交换的信息由输油系统监视和控制用的实时数据和历史数据组成。包括测量数据、计划数据、输油量结算数据及操作信息。
　　
　　控制中心的SCADA主机与其他控制中心主机之间进行数据交换通常要经过一个或多个介于其间的通信处理器。
　　
　　控制中心模型包括几类基本的主机处理器；SCADA，负荷管理，分布式应用，显示处理器。在SCADA系统中SCADA主机是zui主要的处理器，通过数据采集单元（DAUS）和远方终端装置（RTUS）收集处理模拟和数字信号来监视数据，控制中心通常都配置了处于“热备用”状态的冗余的SCADA主机。分布式应用主机则进行各种庞杂的分析调度计划。显示处理器方便操作人员显示数据流量和控制用。通常控制中心由一个或多个局域网（LAN）间将这些主机连接起来，并常常通过中间的通信处理器访问各广域网。
　　
　　五、总结
　　
　　从上述的论述中，我们可以得出以下简单的结论：石油化工自动化的发展趋势应该是分布式、开放化和信息化。分布式的结构是一种能确保网络中每个智能的模块能够独立的工作的网络，达到系统危险分散的概念；开放化则是系统结构具有与外界的接口，实现系统与外界网络的连接；信息化则是使系统信息能够进行综合处理能力，与网络技术结合实现网络自动化和管控一体化。基于以太网技术的自动化具有低成本和开放性，可以实现远程控制，易于与管理结合，实现管控一体化。