以太網在石油化工自動化中的應用

以太網在石油化工自動化中的應用

本文來自中國工控網：

為了推動石油化工自動化的發(fā)展，依據太網技術的發(fā)展，本文介紹了以太網的基本知識及在石油化工自動化中的應用，并通過基于以太網的SCADA系統(tǒng)分析了以太網的結構和功能，說明了應用以太網技術是石油化工自動化的發(fā)展方向之一。

一、引言

以太網產生于1973年，當時，施樂公司的BobMetcalfe在一張餐巾紙上勾畫出Ethernet的基本輪廓，這張餐巾紙現在還保存在施樂公司的PaloAlto研究中心。最初的Ethernet標準通訊速率是2.94Mbps。在施樂公司和Intel公司、DigitalEquipment公司合作開發(fā)了DIX2.0標準后，Ethernet在粗同軸電纜上的傳輸速率變成了10Mbps。同一時期，國際電氣與電子工程師協會（IEEE）指定了Ethernet的CSMA/CD802.3標準。1983年CSMA/CD802.3標準正式確定并被采用。近幾年來，隨著計算機和網絡技術的發(fā)展，引發(fā)了控制領域深刻的技術變革，Ethernet逐漸的進入工業(yè)領域。據統(tǒng)計，目前在工業(yè)領域有超過100種通訊協議被應用于各種各樣的工業(yè)計算機平臺之間的數據交換，從智能傳感器到參域的監(jiān)控系統(tǒng)都在應用Ethernet。Ethernet是目前可用的最常見的網絡協議，因而控制系統(tǒng)結構向網絡化、開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術發(fā)展的主要潮流，以太網作為目前應用最為廣泛的局域網技術，在工業(yè)自動化和過程控制領域將會得到了越來越多的應用。

二、以太網技術介紹及其發(fā)展趨勢

一般來講，控制系統(tǒng)網絡可分為3層：信息層、控制層和設備層(傳感/執(zhí)行層)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在信息層大都采用以太網，而在控制層和設備層一般采用不同的現場總線或其他專用網絡。目前，以太網已經滲透到了控制層和設備層，很多的PLC和遠程I/O供應商都能提供支持TCP/IP的以太網接口的產品。以太網之所以給自動化市場帶來風暴式的革命，主要有3個原因：（一）低成本的刺激和速度的提高；（二）現代企業(yè)對實時生產信息有越來越多的要求；（三）以太網的開放性和兼容性。

早期的以太網，多節(jié)點共享同一個傳輸媒體，稱為共享以太網(SharedEthernet)，節(jié)點間通信采用廣播方式，易發(fā)生沖突。共享以太網用CSMA/CD技術來避免沖突，即發(fā)送方檢測到沖突就暫停發(fā)送，隨機延遲一段時間后再重新發(fā)送直到成功。由于延遲時間是隨機的，不能事先知道，因而共享以太網的時間響應具有不確定性，不能用于強實時性場合。

交換以太網(SwitchedEthernet)的出現克服了這一缺點，以太網的交換機(Switch)是數據鏈路層(ISO/OSI參考模型第二層)的多端口網橋，也可以說是智能分配器。交換機將其管理的網絡以星型拓撲結構劃分為許多物理上互相隔離而邏輯上互相聯系的節(jié)點，每一節(jié)點單獨與交換機建立物理連接，在通信的時候交換機會在發(fā)送端口與接受端口間建立一個獨占的全雙工通道，它具有以太網的全部帶寬并避免沖突。

交換以太網在獲得確定性的同時，傳輸速度也有極大的提高。千兆以太網已普及，10Gb/s的交換以太網正在開發(fā)。當以太網用于信息技術時，應用層含有HTTP(超級文本傳輸協議)、FTP(文件傳輸協議)、SMTP(簡單電子郵件傳送協議)和Telnet(遠程登錄)。這些基于TCP/IP的協議簇已經成為工業(yè)界事實上的網絡標準，在不同廠商的不同網絡系統(tǒng)互聯方面起著關鍵作用。但當以太網用于工業(yè)控制時，體現在應用層的是實時通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對象以及工程模型的應用協議。工業(yè)以太網和Internet技術的發(fā)展將完全改變傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的網絡架構。工業(yè)以太網已經從信息層向下延伸到控制層和設備層采用以太網架構以后，控制器的位置也可以突破傳統(tǒng)網絡架構的限制，可以位于現場，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至遠程I/O支持以太網的功能越來越強，在有些控制器和遠程I/O模塊中已經集成了Web服務器，從而允許信息層的用戶也可以和控制層的用戶一樣直接獲取控制器和遠程I/O模塊中的當前狀態(tài)值。采用以太網架構和開放的軟件系統(tǒng)的制造企業(yè)也被稱為“透明工廠”。此外，通過Internet可以實現對工業(yè)生產過程的實時遠程監(jiān)控，將實時生產數據與ERP系統(tǒng)以及實時的用戶需求結合起來，使生產不只是面向定單的生產，而是直接面向機會和市場的“電子制造”，從而使企業(yè)能夠適應經濟全球化的要求。

許多工業(yè)控制系統(tǒng)正在致力于發(fā)展IP和以太網技術，當前快速發(fā)展的信息技術已經成為工業(yè)控制網絡的一部分。---中國工控網

三、串口上網技術

在系統(tǒng)網絡化的過程里,由于許多傳統(tǒng)的串口設備未具備聯網能力,在控制指令與設備信息的傳遞上,必須要有串行通訊轉TCP/IP網絡的方案[4]。而串口通訊網絡技術簡單、易用，性價比高，是系統(tǒng)網絡化的理想選擇�，F在市場上已出現MOXA的Nport系列串口上網服務器。使用MOXA的標準串口驅動程序，MOXA的串行端口可以被仿真成是遠程的COM端口，不需要更改系統(tǒng)原有使用串行通訊的應用軟件或通訊元件。好處在于，有了Windows和Linux/Unix的驅動程序支持，Nport家族可以立即讓串口設備具備聯網的能力。Nport家族設備聯網服務器包含完整的TCP/IP協議。它可以把串口數據包裝成TCP封包，并轉換成可以在Ethernet上傳送的Frame，傳送到主機的以太網卡上。主機以自己的TCP/IP協議解封包后，應用程序可以接收到完整的串口數據。通過Nport家族TCP端口，可不是用驅動程序，而以TCP/IPSocket來存取串口數據。這種解決方案適合于所有具備TCP/IP連接功能的系統(tǒng)。讓串口設備具備TCP/IP網絡界面，可提高企業(yè)管理與原作效率。由TCP/IP網絡可遠程、機動性管理的特性，大大減低系統(tǒng)故障維護與人力成本，是一個底成本效益的串口設備管理模式。

四、基于以太網的SCADA系統(tǒng)現代輸油管道自動化管理多采用SCADA系統(tǒng)（分布式數據采集和監(jiān)控系統(tǒng)），在國內外輸油管道設計中，SCADA系統(tǒng)已成為必不可少的選擇和管道系統(tǒng)管理與控制的標準化設施，計量站、調壓站、清管站、陰極保護站等均由SCADA系統(tǒng)實行遙測、遙控。

1、SCADA系統(tǒng)的基本配置1.1、中心控制級（控制中心）

調度控制中心是SCADA系統(tǒng)的中樞，對管道進行連續(xù)的監(jiān)控和管理。系統(tǒng)應能夠確保數據采集和儲存的完整性、及時性、準確性、安全性、可靠性，同時系統(tǒng)應具有支持開放性，支持用戶開發(fā)、補充和完善應用功能。

調度控制中心的計算機系統(tǒng)一般按客戶機/服務器結構，設置使用實時任務操作系統(tǒng)，服務器和局域網采用熱備冗余配置。該控制中心配有操作員工作站、工程師站、經理終端站、大屏幕投影系統(tǒng)、路由器（冗余配置）、調制解調器等。

1.2、站場控制級（站控系統(tǒng)）

站控系統(tǒng)是SCADA系統(tǒng)的遠方監(jiān)控站，是保證SCADA系統(tǒng)正常運行的基礎，分別設置分布在各地控制室內。站控制系統(tǒng)主要由過程控制單元、操作員工作站、數據通信接口等構成。過程控制單元采用技術性能優(yōu)、可靠性高的可編程邏輯控制器（PLC）和I/O框架的連接網絡。做為人機接口的操作員工作站采用工業(yè)級工作站型計算機。

站控系統(tǒng)硬件配置包括：PLC，操作員工作站、激光打印機、路由器、操作臺等。---中國工控網

1.3、系統(tǒng)同步

為保證SCADA系統(tǒng)各部分數據的一致性，保持整個系統(tǒng)的同步非常重要。首先在調度控制中心設置了GPS時鐘作為全系統(tǒng)的標準時間，并要求各站控系統(tǒng)硬件時鐘誤差不超過1s。系統(tǒng)時鐘同步是由前端機向各現場發(fā)送時鐘校核一次；RTU重新啟動時必須校核；中斷的通信獲得恢復時應該校驗。

系統(tǒng)的接地和保護。自控系統(tǒng)接地采用等電位連接。各站控制室內操作站、操作臺、機柜等均應做保護接地，保護接地接至電氣的安全接地網。

儀表信號回路接地端和屏蔽接地端接至信號接地網。保護接地和信號接地電阻均小于4Ω，信號接地網與電氣的安全接地網分別接至電位接地極。

2、SCADA系統(tǒng)的硬件組成

組成SCADA系統(tǒng)的主要是PLC和DCS[4]。SCADA系統(tǒng)屬中小規(guī)模的測控系統(tǒng)。它集成了PLC的現場測控功能強和DCS的組網通訊能力強的兩大優(yōu)點，性能價格比高。

3、新一代以太網的SCADA系統(tǒng)

隨著計算機技術、通訊技術的深刻變化，大范圍輸油管道工程中監(jiān)控系統(tǒng)的實現手段也必將發(fā)生本質的變化。而傳統(tǒng)的建立在穿行CDT/POLLING規(guī)約基礎上的SCADA系統(tǒng)難以滿足大規(guī)模輸氣網絡監(jiān)控要求。

輸油工程的各個系統(tǒng)之間（輸油調度監(jiān)控系統(tǒng)等）聯系越來越緊密，必須統(tǒng)一考慮。所以提出以太網（局域網、城域網、廣域網）為通信基礎的面向整個輸油系統(tǒng)的大對象。通過計算機軟件平臺（UNIX，Linux，Windows，Java等）集成了SCADA功能。首先，需要各地分配站到調度中心鋪設光纖�；�本思路是以路由器、光纖網絡交換機、光纖構建一個以千兆光纖以太網為骨干，百兆光纖為子網或分支的高速網絡。

控制中心間通信協議ICCP可使一個輸油控制中心與同一企業(yè)的其他輸油控制中心，其他輸油企業(yè)、聯營企業(yè)、區(qū)域控制中心、獨立采用部門等通過廣域網（WAN）進行數據交換，交換的信息由輸油系統(tǒng)監(jiān)視和控制用的實時數據和歷史數據組成。包括測量數據、計劃數據、輸油量結算數據及操作信息。控制中心的SCADA主機與其他控制中心主機之間進行數據交換通常要經過一個或多個介于其間的通信處理器。

控制中心模型包括幾類基本的主機處理器；SCADA，負荷管理，分布式應用，顯示處理器。在SCADA系統(tǒng)中SCADA主機是最主要的處理器，通過數據采集單元（DAUS）和遠方終端裝置（RTUS）收集處理模擬和數字信號來監(jiān)視數據，控制中心通常都配置了處于“熱備用”狀態(tài)的冗余的SCADA主機。分布式應用主機則進行各種龐雜的分析調度計劃。顯示處理器方便操作人員顯示數據流量和控制用。通�？刂浦行挠梢粋�或多個局域網（LAN）間將這些主機連接起來，并常常通過中間的通信處理器訪問各廣域網。

五、總結

從上述的論述中，我們可以得出以下簡單的結論：石油化工自動化的發(fā)展趨勢應該是分布式、開放化和信息化。分布式的結構是一種能確保網絡中每個智能的模塊能夠獨立的工作的網絡，達到系統(tǒng)危險分散的概念；開放化則是系統(tǒng)結構具有與外界的接口，實現系統(tǒng)與外界網絡的連接；信息化則是使系統(tǒng)信息能夠進行綜合處理能力，與網絡技術結合實現網絡自動化和管控一體化。基于以太網技術的自動化具有低成本和開放性，可以實現遠程控制，易于與管理結合，實現管控一體化。

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擴展閱讀：論石油化工領域自動化控制系統(tǒng)的應用

論石油化工領域自動化控制系統(tǒng)的應用

[摘要]石油化工產業(yè)在國民經濟中占有舉足輕重的地位，伴隨著我國改革開放的不斷加深，現代化的程度逐步增強，在石油化工領域中自動化、智能化的控制系統(tǒng)普遍應用，極大地增強了大型石油化工企業(yè)的科技技術，同時提高了生產能力和管理水平。信息化、自動化在各行業(yè)的普遍推廣，促進了經濟社會的全面發(fā)展，這為石油化工領域實現自動化提供便利條件。在自動化控制系統(tǒng)的運用過程中，同樣需要克服以太網的設計架構問題，人員素質問題和網絡安全問題。

[關鍵詞]石油化工自動化控制系統(tǒng)

中圖分類號：td152文獻標識碼：a文章編號：1009-914x（201*）10-0076-01

一、石油化工產業(yè)發(fā)展現狀

石油化工產業(yè)在我國經過幾十年的發(fā)展，不斷的吸收第二次科技革命的成果，并融合第三次科技革命的先進技術，現已初步形成具有中國特色現代化石油化工產業(yè)。石油化工產業(yè)的門類齊全，品種豐富，基本可以滿足國內的石油化工產品需求，并且部分產品已實現出口。

（一）石油化工行業(yè)的特點

石油化工行業(yè)的細化產業(yè)種類多，技術差別較大，但石油行業(yè)特點與其他行業(yè)比較，仍然有其突出的一面。石油化工產業(yè)的規(guī)模一般比較大，屬于資金密集型產業(yè)，生產運營的周期比較長。生產環(huán)節(jié)的安全要求十分嚴格，提煉反應過程屬于高壓、高溫環(huán)境，具有一定的危險性。在生產過程中會產生有毒有害物質，管理不當會嚴重的污染環(huán)境。在生產工藝上技術要求比較重要，需要穩(wěn)定的、優(yōu)化的運營環(huán)境，生產呈現連續(xù)不中斷的特點。（二）石油化工產業(yè)目前的水平狀況

目前整個行業(yè)當中，所有的石油化工企業(yè)有十多萬家，在這之中初具規(guī)模的有三萬多家。我國是世界上第二大石油消費國，能源產業(yè)的發(fā)展速度十分可觀，農用化工產品迅猛發(fā)展，產業(yè)結構不斷優(yōu)化，能夠滿足市場的需要，并且新技術的研發(fā)取得巨大成效。技術創(chuàng)新逐漸成為石油化工產業(yè)發(fā)展的全新突破口，煉油工業(yè)技術進步明顯，部分領域達到世界先進行業(yè)的智能化水平。

石油化工自動化控制系統(tǒng)發(fā)展到今天，已經取得了一定發(fā)的成就，但對于宏觀全局性的掌控還是有欠缺的。下面主要從兩點探討控制系統(tǒng)在化工企業(yè)中的不足。

目前現場總線技術的不斷運用，連續(xù)地開拓了現場總線的過程工業(yè)技術，還豐富了制造工業(yè)的應用技術。在化工領域中，總線技術的推進的確促進了一些大型項目的技術進步，效果上也是非常可行的，目前已經可以實現預測維護和遠程控制的維護。但是由于先進技術的快速推廣，目前能夠熟練掌握這些先進書的高級技工還是太少。在應用過程中現場維護的技術水平達不到理想的狀態(tài)。在工業(yè)方面，以太網的總體構架和可維護性面臨困境。超大型智能化、數字化的控制系統(tǒng)，在設計的生產中的確有效得提升了企業(yè)

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