摘 要: 以太網(wǎng)由于其固有的不確定性，一直以來很難在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用，近年來工業(yè)以太網(wǎng)的迅速發(fā)展讓以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制控領(lǐng)域成為現(xiàn)實(shí)，本文介紹了一個利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)井網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控的實(shí)例，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了延時分析。 關(guān)鍵詞: 以太網(wǎng)，確定性，油井，實(shí)時監(jiān)控 0 引言 　　隨著自動化系統(tǒng)越來越智能化和更靈活，系統(tǒng)中的傳感器和控制器等智能儀表的數(shù)量不斷增加而且更加分散，因而系統(tǒng)中不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換量也不斷增大。因此，為保證系統(tǒng)的實(shí)時性和確定性，自動化控制網(wǎng)絡(luò)顯得極為重要。說到控制網(wǎng)絡(luò)，人們都會想到現(xiàn)場總線，近年來現(xiàn)場總線確實(shí)得到快速發(fā)展，但昂貴的硬件費(fèi)用以及不同總線設(shè)備之間難以通信的缺點(diǎn)限制了現(xiàn)場總線的應(yīng)用。因此，無論是最終用戶還是開發(fā)商都在尋找高性能、低成本的解決方案。 　　隨著以太網(wǎng)的迅速發(fā)展，以太網(wǎng)已成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前不僅在辦公自動化領(lǐng)域，而且在各個企業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò)也都廣泛使用以太網(wǎng)技術(shù)。由于它技術(shù)成熟，連接電纜和接口設(shè)備價格相對較低，帶寬也在飛速增長（出現(xiàn)了干兆甚至萬兆以太網(wǎng)），特別是交換式以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，使人們轉(zhuǎn)向希望以物美價廉的以太網(wǎng)設(shè)備替代控制網(wǎng)絡(luò)中相對昂貴的專用總線設(shè)備。 1 以太網(wǎng)的特性 　　以太網(wǎng)是IEEE802.3所支持的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，最早由Xerox公司開發(fā)，DEC公司、Intel公司和Xerox公司聯(lián)合擴(kuò)展，成為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。按照IS0開放系統(tǒng)互連參考模型的7層結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只定義了鏈路層和物理層。作為一個完整的通信系統(tǒng)，它需要高層協(xié)議的支持。 　　以太網(wǎng)的媒介訪問控制協(xié)議（CSMA/CD）有無法預(yù)見的延遲特性。網(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點(diǎn)要通過競爭來取得信息包的發(fā)送權(quán)：節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道，只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時，才能發(fā)送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發(fā)送后，還需要檢查是否發(fā)生碰撞，信息如發(fā)生碰撞，需退出重發(fā)。顯然，在信道繁忙的情況下，數(shù)據(jù)的實(shí)時性無法得到保證，這也正是長期阻礙以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的主要障礙。然而，由于快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了新的契機(jī)，使這一應(yīng)用成為可能。 2 以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域已成為現(xiàn)實(shí) 　　過去幾年，以太網(wǎng)技術(shù)有了迅猛發(fā)展。其中交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用大大地改善了以太網(wǎng)技術(shù)中由于CSMA/CD媒介訪問方法產(chǎn)生的不確定性問題，它與快速以太網(wǎng)、干兆以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，使以太網(wǎng)的實(shí)時性、確定性都得到了較大的改善。 　　與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)相比，交換式以太網(wǎng)在兩方面有較大改進(jìn)。首先，兩者在集線器操作方式上有很大不同。在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)中，HUB將一個端口接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到所有其他端口，它實(shí)現(xiàn)的是一種廣播功能，這也意味著每次都只有一個節(jié)點(diǎn)能發(fā)送數(shù)據(jù)。而交換機(jī)是一種智能HUB，它能識別并處理所接收的數(shù)據(jù)的目的地址而僅僅將它發(fā)送到目的端口，這也意味著多個節(jié)點(diǎn)可以同時發(fā)送數(shù)據(jù)。其次，傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)與HUB之間是半雙工連接，而交換式以太網(wǎng)采用全雙工，這樣節(jié)點(diǎn)可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。有了這兩方面的不同，交換式以太網(wǎng)克服了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的缺點(diǎn)。大大提高了網(wǎng)絡(luò)性能，使原來的“共享式”帶寬變成了“獨(dú)占式”帶寬，較好地解決了帶寬問題。 　　除以上兩方面外，交換式以太網(wǎng)運(yùn)用了交換技術(shù)的典型方法，即存儲轉(zhuǎn)發(fā)。其工作原理是：當(dāng)交換機(jī)收到源站發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀后，首先檢查目的站信道是否空閑，若空閑則發(fā)送，若忙則將數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)，直到信道空閑才將其發(fā)送。另外，如果同時收到幾個要發(fā)送到同一個目的站的數(shù)據(jù)幀，交換機(jī)會將他們存儲在緩沖區(qū)，然后再依次發(fā)送。采用交換機(jī)的另一好處是將沖突域分割開來，從而擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的覆蓋范圍。如今，以太網(wǎng)還發(fā)展了虛擬局域網(wǎng)（VLAN）、虛擬沖突以及容錯冗余等技術(shù)。 　　當(dāng)以太網(wǎng)解決了不確定性問題后，完全具備進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的條件，而且具有現(xiàn)場總線無法比擬的優(yōu)勢。目前，各制造商正在研制適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境的以太網(wǎng)產(chǎn)品、控制器，并且已經(jīng)有很多工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品進(jìn)入市場，在工業(yè)各領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。 3 應(yīng)用實(shí)例 　　隨著企業(yè)信息化大潮的到來，石油工業(yè)同樣在向智能化和信息化發(fā)展。一般來說，企業(yè)的信息系統(tǒng)按功能可劃分為3層：底層為完成生產(chǎn)現(xiàn)場測量控制功能的過程控制層PCS（Process Control System）;最上層為企業(yè)資源規(guī)劃層ERP（Enterprise Resource Planning）;而傳統(tǒng)概念上的監(jiān)控、管理、調(diào)度等多項(xiàng)控制管理功能交錯的部分都被包羅在中間的制造執(zhí)行層MES（Manufacturing Execution System）。要實(shí)現(xiàn)企業(yè)的一體化解決方案，實(shí)現(xiàn)信息的集成與綜合應(yīng)用，就需要在各層內(nèi)部以及各層信息源之間進(jìn)行信息集成。與發(fā)達(dá)國家相比我國石油開采技術(shù)水平還有一定差距，目前我國的采油井95%以上是機(jī)采，大多數(shù)數(shù)據(jù)采集依靠人工完成，雖然一定程度上已建立了石油管理局一級的MES（或MIS）管理信息系統(tǒng)，但油井現(xiàn)場的數(shù)據(jù)還不能實(shí)現(xiàn)無縫上傳，無法實(shí)現(xiàn)高效的采油調(diào)度管理。本例介紹了利用以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對油井的監(jiān)控，使油田信息網(wǎng)絡(luò)向井口擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)油井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時傳送和信息網(wǎng)絡(luò)的無縫鏈接，形成油田生產(chǎn)管理與監(jiān)控一體化的信息網(wǎng)絡(luò)。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)框圖[/align] 　　眾所周知，油井的管理是油田生產(chǎn)管理中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，其特點(diǎn)是地區(qū)偏遠(yuǎn)、工作量大、技術(shù)難度高。本系統(tǒng)充分考慮到油田的地理特點(diǎn)，中控室放在轉(zhuǎn)油站，距離中控室較遠(yuǎn)的油井利用無線通信，近距離的油井和轉(zhuǎn)油站采用有線方式，系統(tǒng)框圖如圖1。系統(tǒng)以美國Optimation公司的OptiLogic以太網(wǎng)RTU（10Mbps）作為油井和計量站數(shù)據(jù)采集及操作控制的智能終端設(shè)備，每個RTU最多可傳送3口油井的數(shù)據(jù)（電流、電壓、油溫、油壓、負(fù)荷、編碼信號等），站內(nèi)RTU主要用于采集儲油罐、注水終端和自動計量終端的液位、溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)選用臺灣Macromate公司的無線以太網(wǎng)路由器（MAP811）和無線以太網(wǎng)橋（MAP811E）作為采油小隊(duì)與油井之間的無線通信設(shè)備，它采用直擴(kuò)DSSS的傳輸方式，速率可達(dá)11Mbps,支持TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。工作頻段為2.4GHz ISM自由頻段，該范圍是不受無線電管理委員會限制的頻道。同時，這種頻率段不易受干擾影響。通過井口架設(shè)定向天線和采油小隊(duì)架設(shè)全向天線，實(shí)現(xiàn)井口與監(jiān)控工作站的通信。中控室的交換機(jī)將監(jiān)控工作站和各路設(shè)備連接起來，通過交換機(jī)的VLAN（虛擬局域網(wǎng)）功能，將監(jiān)控工作站和其他端口之間分別設(shè)為VLAN，減少了不必要的廣播流量和數(shù)據(jù)沖突。 　　系統(tǒng)以美國Entivity公司Think&Do控制軟件作為采油小隊(duì)中央控制室監(jiān)控工作站的監(jiān)控組態(tài)軟件。本系統(tǒng)通過運(yùn)行于監(jiān)控工作站的Think&Do應(yīng)用軟件，以50ms的掃描速率對所有I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新并將所有數(shù)據(jù)分類保存在文本文件（.TXT）中。監(jiān)控工作站上的原始數(shù)據(jù)通過100M以太網(wǎng)及時傳送給數(shù)據(jù)服務(wù)器以備上一級查詢，它們之間可通過DCOM標(biāo)準(zhǔn)接口或Think&Do的TnDNTag控件進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)服務(wù)器和采油廠及管理局之間通過遠(yuǎn)程登陸程序，可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的查詢。 　　上例介紹的是長慶油田某采油廠的一個示范項(xiàng)目，該系統(tǒng)用了5個RTU對10口井進(jìn)行監(jiān)控，通常情況下，當(dāng)沖突域中RTU數(shù)量少于5個時，幾乎沒有沖突產(chǎn)生。因此，只要保證每個MAP811所連接的RTU不超過5個，對于更大的系統(tǒng)，可以用交換機(jī)分成不同的沖突域（如圖2），利用交換機(jī)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能，完全可以保證系統(tǒng)的確定性。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)擴(kuò)充圖[/align] 4 網(wǎng)絡(luò)延時分析 　　為了對圖1所示系統(tǒng)的實(shí)時性有更清晰的認(rèn)識，我們可以分析該系統(tǒng)的最大延時。 　　在以下情況系統(tǒng)會產(chǎn)生最大延時：（1）RTU的響應(yīng)時間最長;（2）經(jīng)過MAP811時有最大沖突次數(shù);（3）交換機(jī)產(chǎn)生最大的排隊(duì)延時。 　　根據(jù)optilogic提供的數(shù)據(jù)，其以太網(wǎng)RTU的響應(yīng)時間如表1所示。在該系統(tǒng)中井口的RTU最大響應(yīng)時間為采集3口油井?dāng)?shù)據(jù)的RTU所產(chǎn)生的響應(yīng)時間，其中包括3個數(shù)字量模塊和3個模擬量模塊，其響應(yīng)時間為： 　　Tres = Tbas + 3×Tmd + 3×Tma= 1.6+0.3+3×0.2+3×0.73= 4.69ms （1） 　　其中Tres為RTU總響應(yīng)時間，Tbas，Tmd，Tma分別為RTU機(jī)架、開關(guān)量模塊和模擬量模塊的響應(yīng)時間。 　　Think&Do的限制響應(yīng)時間功能要求在設(shè)定時間內(nèi)收到RTU的響應(yīng)信息，若在設(shè)定的時間內(nèi)未得到相應(yīng)信息則斷開與該RTU的連接。利用該功能對5個RTU通過MAP811組成的系統(tǒng)進(jìn)行了響應(yīng)時間測試，結(jié)果如表2所示。通過表2可以看出當(dāng)設(shè)定值到15ms以上時長時間內(nèi)都沒有RTU被斷開，則可認(rèn)為經(jīng)過MAP811產(chǎn)生最大延時為： 　　Tmap = 15-Tres = 15 - 4.69 = 10.31ms （2） 　　值得一提的是，若直接采用網(wǎng)線將RTU與交換機(jī)相聯(lián)，整個系統(tǒng)的延時將可減少M(fèi)AP811所產(chǎn)生的延時，必將大大增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時性。 　　交換機(jī)存儲轉(zhuǎn)發(fā)最大延時產(chǎn)生在有4個幀同時到達(dá)（圖1），而這時產(chǎn)生的延時會小于1ms[1]。這樣整個系統(tǒng)的最大延時不會超過16ms，對于一般的系統(tǒng)完全可以滿足實(shí)時性要求。而在實(shí)際中我們將限制響應(yīng)時間設(shè)定為20ms，這樣可以保證系統(tǒng)長時間不會有RTU被斷開連接，即使偶爾有RTU被斷開，通過Think&Do的Rescan功能可重新連接。 　　表1 以太網(wǎng)RTU響應(yīng)時間 　　表2 經(jīng)MAP811后RTU的響應(yīng)時間 5 結(jié)束語 　　上例介紹的井網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)行，較之以往的方式（如數(shù)傳電臺），系統(tǒng)的實(shí)時性提高了很多。該系統(tǒng)的成功運(yùn)行，也證明了以太網(wǎng)已經(jīng)完全可以滿足工業(yè)控制領(lǐng)域的實(shí)時性要求。同時，以太網(wǎng)能夠與工廠信息管理系統(tǒng)進(jìn)行直接地、無縫地連接，而無需任何專用設(shè)備。實(shí)現(xiàn)了油田信息網(wǎng)絡(luò)向井口擴(kuò)展，油井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時傳送和信息網(wǎng)絡(luò)的無縫鏈接，形成了油田生產(chǎn)管理與監(jiān)控一體化的信息網(wǎng)絡(luò)。 參考文獻(xiàn) 　　[1] Kyung Chang Lee，Performance evaluation of switched Ethernet for real-time industrial communications，Computer Standards & Interfaces，2002（12） 　　[2] Optilogic RTU Manual，Optimation.Inc，2000 　　[3] 熊育悅等，工業(yè)以太網(wǎng)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，自動化儀表，2002（9） 　　[4] 胡道元等，計算機(jī)局域網(wǎng)，清華大學(xué)出版社，2002 　　[5] 馮大為等，從信息集成看現(xiàn)場總線的發(fā)展，冶金工業(yè)自動化，2001（6） 　　[6] 陽憲惠等，現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，1999