以太網(wǎng)在石油化工自動化中的應(yīng)用

以太網(wǎng)在石油化工自動化中的應(yīng)用

本文來自中國工控網(wǎng)：

為了推動石油化工自動化的發(fā)展，依據(jù)太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，本文介紹了以太網(wǎng)的基本知識及在石油化工自動化中的應(yīng)用，并通過基于以太網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)分析了以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和功能，說明了應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)是石油化工自動化的發(fā)展方向之一。

一、引言

以太網(wǎng)產(chǎn)生于1973年，當(dāng)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(xiàn)在還保存在施樂公司的PaloAlto研究中心。最初的Ethernet標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(xié)會（IEEE）指定了Ethernet的CSMA/CD802.3標(biāo)準(zhǔn)。1983年CSMA/CD802.3標(biāo)準(zhǔn)正式確定并被采用。近幾年來，隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)變革，Ethernet逐漸的進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，目前在工業(yè)領(lǐng)域有超過100種通訊協(xié)議被應(yīng)用于各種各樣的工業(yè)計算機(jī)平臺之間的數(shù)據(jù)交換，從智能傳感器到參域的監(jiān)控系統(tǒng)都在應(yīng)用Ethernet。Ethernet是目前可用的最常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因而控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流，以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)自動化和過程控制領(lǐng)域?qū)�會得到了越來越多的�?yīng)用。

二、以太網(wǎng)技術(shù)介紹及其發(fā)展趨勢

一般來講，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為3層：信息層、控制層和設(shè)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(wǎng)，而在控制層和設(shè)備層一般采用不同的現(xiàn)場總線或其他專用網(wǎng)絡(luò)。目前，以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到了控制層和設(shè)備層，很多的PLC和遠(yuǎn)程I/O供應(yīng)商都能提供支持TCP/IP的以太網(wǎng)接口的產(chǎn)品。以太網(wǎng)之所以給自動化市場帶來風(fēng)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(xiàn)代企業(yè)對實時生產(chǎn)信息有越來越多的要求；（三）以太網(wǎng)的開放性和兼容性。

早期的以太網(wǎng)，多節(jié)點共享同一個傳輸媒體，稱為共享以太網(wǎng)(SharedEthernet)，節(jié)點間通信采用廣播方式，易發(fā)生沖突。共享以太網(wǎng)用CSMA/CD技術(shù)來避免沖突，即發(fā)送方檢測到?jīng)_突就暫停發(fā)送，隨機(jī)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(jī)的，不能事先知道，因而共享以太網(wǎng)的時間響應(yīng)具有不確定性，不能用于強(qiáng)實時性場合。

交換以太網(wǎng)(SwitchedEthernet)的出現(xiàn)克服了這一缺點，以太網(wǎng)的交換機(jī)(Switch)是數(shù)據(jù)鏈路層(ISO/OSI參考模型第二層)的多端口網(wǎng)橋，也可以說是智能分配器。交換機(jī)將其管理的網(wǎng)絡(luò)以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分為許多物理上互相隔離而邏輯上互相聯(lián)系的節(jié)點，每一節(jié)點單獨(dú)與交換機(jī)建立物理連接，在通信的時候交換機(jī)會在發(fā)送端口與接受端口間建立一個獨(dú)占的全雙工通道，它具有以太網(wǎng)的全部帶寬并避免沖突。

交換以太網(wǎng)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(wǎng)已普及，10Gb/s的交換以太網(wǎng)正在開發(fā)。當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時，應(yīng)用層含有HTTP(超級文本傳輸協(xié)議)、FTP(文件傳輸協(xié)議)、SMTP(簡單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠(yuǎn)程登錄)。這些基于TCP/IP的協(xié)議簇已經(jīng)成為工業(yè)界事實上的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，在不同廠商的不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)方面起著關(guān)鍵作用。但當(dāng)以太網(wǎng)用于工業(yè)控制時，體現(xiàn)在應(yīng)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(yīng)用協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)和Internet技術(shù)的發(fā)展將完全改變傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)從信息層向下延伸到控制層和設(shè)備層采用以太網(wǎng)架構(gòu)以后，控制器的位置也可以突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制，可以位于現(xiàn)場，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至遠(yuǎn)程I/O支持以太網(wǎng)的功能越來越強(qiáng)，在有些控制器和遠(yuǎn)程I/O模塊中已經(jīng)集成了Web服務(wù)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(yuǎn)程I/O模塊中的當(dāng)前狀態(tài)值。采用以太網(wǎng)架構(gòu)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(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的實時遠(yuǎn)程監(jiān)控，將實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)與ERP系統(tǒng)以及實時的用戶需求結(jié)合起來，使生產(chǎn)不只是面向定單的生產(chǎn)，而是直接面向機(jī)會和市場的“電子制造”，從而使企業(yè)能夠適應(yīng)經(jīng)濟(jì)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(wǎng)技術(shù)，當(dāng)前快速發(fā)展的信息技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的一部分。---中國工控網(wǎng)

三、串口上網(wǎng)技術(shù)

在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的過程里,由于許多傳統(tǒng)的串口設(shè)備未具備聯(lián)網(wǎng)能力,在控制指令與設(shè)備信息的傳遞上,必須要有串行通訊轉(zhuǎn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的方案[4]。而串口通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡單、易用，性價比高，是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的理想選擇�，F(xiàn)在市場上已出現(xiàn)MOXA的Nport系列串口上網(wǎng)服務(wù)器。使用MOXA的標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動程序，MOXA的串行端口可以被仿真成是遠(yuǎn)程的COM端口，不需要更改系統(tǒng)原有使用串行通訊的應(yīng)用軟件或通訊元件。好處在于，有了Windows和Linux/Unix的驅(qū)動程序支持，Nport家族可以立即讓串口設(shè)備具備聯(lián)網(wǎng)的能力。Nport家族設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器包含完整的TCP/IP協(xié)議。它可以把串口數(shù)據(jù)包裝成TCP封包，并轉(zhuǎn)換成可以在Ethernet上傳送的Frame，傳送到主機(jī)的以太網(wǎng)卡上。主機(jī)以自己的TCP/IP協(xié)議解封包后，應(yīng)用程序可以接收到完整的串口數(shù)據(jù)。通過Nport家族TCP端口，可不是用驅(qū)動程序，而以TCP/IPSocket來存取串口數(shù)據(jù)。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(shè)備具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)界面，可提高企業(yè)管理與原作效率。由TCP/IP網(wǎng)絡(luò)可遠(yuǎn)程、機(jī)動性管理的特性，大大減低系統(tǒng)故障維護(hù)與人力成本，是一個底成本效益的串口設(shè)備管理模式。

四、基于以太網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)現(xiàn)代輸油管道自動化管理多采用SCADA系統(tǒng)（分布式數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)），在國內(nèi)外輸油管道設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)施，計量站、調(diào)壓站、清管站、陰極保護(hù)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(diào)度控制中心是SCADA系統(tǒng)的中樞，對管道進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)控和管理。系統(tǒng)應(yīng)能夠確保數(shù)據(jù)采集和儲存的完整性、及時性、準(zhǔn)確性、安全性、可靠性，同時系統(tǒng)應(yīng)具有支持開放性，支持用戶開發(fā)、補(bǔ)充和完善應(yīng)用功能。

調(diào)度控制中心的計算機(jī)系統(tǒng)一般按客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，設(shè)置使用實時任務(wù)操作系統(tǒng)，服務(wù)器和局域網(wǎng)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(jīng)理終端站、大屏幕投影系統(tǒng)、路由器（冗余配置）、調(diào)制解調(diào)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(yuǎn)方監(jiān)控站，是保證SCADA系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，分別設(shè)置分布在各地控制室內(nèi)。站控制系統(tǒng)主要由過程控制單元、操作員工作站、數(shù)據(jù)通信接口等構(gòu)成。過程控制單元采用技術(shù)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(wǎng)絡(luò)。做為人機(jī)接口的操作員工作站采用工業(yè)級工作站型計算機(jī)。

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

1.3、系統(tǒng)同步

為保證SCADA系統(tǒng)各部分?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，保持整個系統(tǒng)的同步非常重要。首先在調(diào)度控制中心設(shè)置了GPS時鐘作為全系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)向各現(xiàn)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(fù)時應(yīng)該校驗。

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

儀表信號回路接地端和屏蔽接地端接至信號接地網(wǎng)。保護(hù)接地和信號接地電阻均小于4Ω，信號接地網(wǎng)與電氣的安全接地網(wǎng)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(xiàn)場測控功能強(qiáng)和DCS的組網(wǎng)通訊能力強(qiáng)的兩大優(yōu)點，性能價格比高。

3、新一代以太網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)

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

輸油工程的各個系統(tǒng)之間（輸油調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)等）聯(lián)系越來越緊密，必須統(tǒng)一考慮。所以提出以太網(wǎng)（局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)）為通信基礎(chǔ)的面向整個輸油系統(tǒng)的大對象。通過計算機(jī)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(diào)度中心鋪設(shè)光纖�；�本思路是以路由器、光纖網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、光纖構(gòu)建一個以千兆光纖以太網(wǎng)為骨干，百兆光纖為子網(wǎng)或分支的高速網(wǎng)絡(luò)。

控制中心間通信協(xié)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(lián)營企業(yè)、區(qū)域控制中心、獨(dú)立采用部門等通過廣域網(wǎng)（WAN）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，交換的信息由輸油系統(tǒng)監(jiān)視和控制用的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)組成。包括測量數(shù)據(jù)、計劃數(shù)據(jù)、輸油量結(jié)算數(shù)據(jù)及操作信息�？刂浦行牡腟CADA主機(jī)與其他控制中心主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通常要經(jīng)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(jī)處理器；SCADA，負(fù)荷管理，分布式應(yīng)用，顯示處理器。在SCADA系統(tǒng)中SCADA主機(jī)是最主要的處理器，通過數(shù)據(jù)采集單元（DAUS）和遠(yuǎn)方終端裝置（RTUS）收集處理模擬和數(shù)字信號來監(jiān)視數(shù)據(jù)，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(jī)。分布式應(yīng)用主機(jī)則進(jìn)行各種龐雜的分析調(diào)度計劃。顯示處理器方便操作人員顯示數(shù)據(jù)流量和控制用。通常控制中心由一個或多個局域網(wǎng)（LAN）間將這些主機(jī)連接起來，并常常通過中間的通信處理器訪問各廣域網(wǎng)。

五、總結(jié)

從上述的論述中，我們可以得出以下簡單的結(jié)論：石油化工自動化的發(fā)展趨勢應(yīng)該是分布式、開放化和信息化。分布式的結(jié)構(gòu)是一種能確保網(wǎng)絡(luò)中每個智能的模塊能夠獨(dú)立的工作的網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到系統(tǒng)危險分散的概念；開放化則是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有與外界的接口，實現(xiàn)系統(tǒng)與外界網(wǎng)絡(luò)的連接；信息化則是使系統(tǒng)信息能夠進(jìn)行綜合處理能力，與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動化和管控一體化�；�于以太網(wǎng)技術(shù)的自動化具有低成本和開放性，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，易于與管理結(jié)合，實現(xiàn)管控一體化。

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論石油化工領(lǐng)域自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

[摘要]石油化工產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)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(xiàn)代化的程度逐步增強(qiáng)，在石油化工領(lǐng)域中自動化、智能化的控制系統(tǒng)普遍應(yīng)用，極大地增強(qiáng)了大型石油化工企業(yè)的科技技術(shù)，同時提高了生產(chǎn)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(jìn)了經(jīng)濟(jì)社會的全面發(fā)展，這為石油化工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化提供便利條件。在自動化控制系統(tǒng)的運(yùn)用過程中，同樣需要克服以太網(wǎng)的設(shè)計架構(gòu)問題，人員素質(zhì)問題和網(wǎng)絡(luò)安全問題。

[關(guān)鍵詞]石油化工自動化控制系統(tǒng)

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

一、石油化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

石油化工產(chǎn)業(yè)在我國經(jīng)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(jìn)技術(shù)，現(xiàn)已初步形成具有中國特色現(xiàn)代化石油化工產(chǎn)業(yè)。石油化工產(chǎn)業(yè)的門類齊全，品種豐富，基本可以滿足國內(nèi)的石油化工產(chǎn)品需求，并且部分產(chǎn)品已實現(xiàn)出口。

（一）石油化工行業(yè)的特點

石油化工行業(yè)的細(xì)化產(chǎn)業(yè)種類多，技術(shù)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(chǎn)業(yè)的規(guī)模一般比較大，屬于資金密集型產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)運(yùn)營的周期比較長。生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全要求十分嚴(yán)格，提煉反應(yīng)過程屬于高壓、高溫環(huán)境，具有一定的危險性。在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，管理不當(dāng)會嚴(yán)重的污染環(huán)境。在生產(chǎn)工藝上技術(shù)要求比較重要，需要穩(wěn)定的、優(yōu)化的運(yùn)營環(huán)境，生產(chǎn)呈現(xiàn)連續(xù)不中斷的特點。（二）石油化工產(chǎn)業(yè)目前的水平狀況

目前整個行業(yè)當(dāng)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(fèi)國，能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度十分可觀，農(nóng)用化工產(chǎn)品迅猛發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，能夠滿足市場的需要，并且新技術(shù)的研發(fā)取得巨大成效。技術(shù)創(chuàng)新逐漸成為石油化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全新突破口，煉油工業(yè)技術(shù)進(jìn)步明顯，部分領(lǐng)域達(dá)到世界先進(jìn)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(jīng)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(xiàn)場總線技術(shù)的不斷運(yùn)用，連續(xù)地開拓了現(xiàn)場總線的過程工業(yè)技術(shù)，還豐富了制造工業(yè)的應(yīng)用技術(shù)。在化工領(lǐng)域中，總線技術(shù)的推進(jìn)的確促進(jìn)了一些大型項目的技術(shù)進(jìn)步，效果上也是非常可行的，目前已經(jīng)可以實現(xiàn)預(yù)測維護(hù)和遠(yuǎn)程控制的維護(hù)。但是由于先進(jìn)技術(shù)的快速推廣，目前能夠熟練掌握這些先進(jìn)書的高級技工還是太少。在應(yīng)用過程中現(xiàn)場維護(hù)的技術(shù)水平達(dá)不到理想的狀態(tài)。在工業(yè)方面，以太網(wǎng)的總體構(gòu)架和可維護(hù)性面臨困境。超大型智能化、數(shù)字化的控制系統(tǒng)，在設(shè)計的生產(chǎn)中的確有效得提升了企業(yè)

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