以太网在石油化工自动化中的应用.doc

为了推动石油化工口动化的发展，依据太网技术的发展，木文介绍了以太网的基 本知识及在石油化工自动化小的应用，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口动化的发展方向ZO一、 引言以太网产生于1973年，当时，施乐公司的Bob Metcalfe在一张餐巾纸上勾画岀 Ethernet的基木轮廓，这张餐巾纸现在还保存在施乐公司的Palo Alto研究中心 最初的Ethernet标准通讯速率是2.94Mbps在施乐公司和Intel公司、Digital Equipment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 lOMbpso同一时期，国际电气与电子工程师协会（IEEE）指定了 Ethernet 的CSMA/CD 802.3标准1983年CSMA/CD 802.3标准止式确定并被采用近 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，目而在工业领域有超过100种通讯协议 被应用于各种各样的工业计算机平台Z间的数据交换，从智能传感器到参域的监 控系统都在应用Etherneto Ethernet是目而可用的最常见的网络协议，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 作为目丽应用最为广泛的局域网技术，在工业门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，币在控制层和设备层一般采用不同的 现场总线或其他专用网络口前，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I I的产品以太网Z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，称为共亨以太网（Shared Ethernet）, 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（Switched Ethernet）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 相联系的节点，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，它貝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 级文木传输协议）、FTP （文件传输协议）、SMTP（简单电了邮件传送协议）和 Telnet（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、用于系统组态的对彖以及工程模型的应用协议 工业以太网和Internet技术的发展将完全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仲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“透明工厂二 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 起來，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“电了制造"， 从而使企业能够适应经济全球化的要求许多工业控制系统止在致力于发展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三、串口上网技术在系统网络化的过程里，由于许多传统的出口设备未具备联网能力,在控制指令与 设备信息的传递上,必须要有吊行通讯转TCP/IP网络的方案［4］而串I」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 出行端口可以被仿真成是远程的COM端口，不需耍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Npcm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 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/IP Socket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系统已成为必不可少的选择和管道系统管理 与控制的标准化设施，计量站、调圧站、清管站、阴极保护诂等均由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）调度控制小心是SCADA系统的小枢，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、经理终端站、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系统止常运行的基础， 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I I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系统齐部分数据的一致性，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，并要求齐站控系统硬 件时钟误差不超过1SO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□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4Q,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[4]oSCADA系统屈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小监控系统的实现 手段也必将发生木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Z间（输油调度监控系统等）联系越来越紧密，必须统一考 虑所以提出以太网（局域网、城域网、广域网）为通信基础的而向整个输油系 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，百兆光纤为了网 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Z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木的主机处理器；SCADA,负荷管理，分布式应用， 显示处理器在SCADA系统中SCADA主机是最主要的处理器，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來监视数据, 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 机则进行各种庞朵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、总结从上述的论述小，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I I,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 口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。