工業(yè)Ethernet在電廠遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、    工業(yè)Ethernet在電廠遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用1引言隨著現(xiàn)代電廠信息自動化進程的加快，電廠逐漸將管理、決策、市場信息和現(xiàn)場控制信息結(jié)合起來，實現(xiàn)電廠信息管理系統(tǒng)mis（managementinformationsystem）、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)sis（supervisoryinformationsystem）、分散控制系統(tǒng)dcs（distributedcontrolsystem）三層信息系統(tǒng)管控一體化。在電廠dcs設(shè)計過程中，通常采用的是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)fcs（fieldbuscontrolsystem），但現(xiàn)場總線相互之間兼容性差、生產(chǎn)現(xiàn)場自

2、控設(shè)備的種類繁1  引言        隨著現(xiàn)代電廠信息自動化進程的加快，電廠逐漸將管理、決策、市場信息和現(xiàn)場控制信息結(jié)合起來，實現(xiàn)電廠信息管理系統(tǒng)mis（management information system）、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)sis（supervisory information system）、分散控制系統(tǒng)dcs（distributed control system）三層信息系統(tǒng)管控一體化。在電廠dcs設(shè)計過程中，通常采用的是

3、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)fcs（fieldbus control system），但現(xiàn)場總線相互之間兼容性差、生產(chǎn)現(xiàn)場自控設(shè)備的種類繁多，導(dǎo)致不同的總線產(chǎn)品之間無法實現(xiàn)互連、互換和統(tǒng)一組態(tài)。        而以太網(wǎng)（ethernet）是目前應(yīng)用最為廣泛的計算機通信技術(shù)，它具有開放性、低成本、廣泛的軟硬件技術(shù)支持等優(yōu)勢，有利于現(xiàn)場控制的徹底分散。特別是，隨著高性能智能儀表的出現(xiàn)，高兆網(wǎng)（從100mbps、1000mbps到1gbps）的普遍使用, 使以太網(wǎng)逐步進入工業(yè)控制領(lǐng)域，是目前企業(yè)信息綜合

4、自動化系統(tǒng)理想的解決方案，日益進步成為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本文主要根據(jù)工業(yè)ethernet技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，闡述其在電廠實時監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。2  工業(yè)ethernet的應(yīng)用現(xiàn)狀        以太網(wǎng)最早起源于美國夏威夷大學(xué)，其具有以下優(yōu)點:        （1） 數(shù)據(jù)傳輸速率高，提供足夠的帶寬;    （2） 使用交互式和開放的數(shù)據(jù)存取技術(shù); 

5、   （3） 多種傳輸協(xié)議并行;    （4） 具有廣泛的技術(shù)支持;    （5） 允許使用不同的物理介質(zhì)和構(gòu)建不同的拓撲結(jié)構(gòu)。        以太網(wǎng)本質(zhì)上只是一個物理層標準，就像rs-232/485標準一樣，目前網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議tcp/ip基本上已成為通用標準，為多數(shù)廠家所接受，但在應(yīng)用層協(xié)議上還存在分歧。目前主要的現(xiàn)場總線組織都在開發(fā)基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線協(xié)議（如ff、profi

6、bus等），更有一些公司已在開發(fā)具有以太網(wǎng)接口的產(chǎn)品，并有研究成果出現(xiàn)。從市場角度考慮，工業(yè)ethernet在應(yīng)用層的統(tǒng)一還需比較長的時間1。        工業(yè)ethernet和internet技術(shù)的發(fā)展完全改變了傳統(tǒng)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，工業(yè)ethernet向控制系統(tǒng)底層延伸是必然趨勢。以太網(wǎng)在現(xiàn)場最典型的應(yīng)用形式是ethernet+tcp/ip，使以太網(wǎng)很容易集成到以internet和web技術(shù)為代表的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，web技術(shù)的滲透使過程i/o信號不再專屬于某一控制系統(tǒng);智能儀表的出現(xiàn)更使用戶不必親臨現(xiàn)場就能監(jiān)控

7、生產(chǎn)過程。因此，基于ethernet+tcp/ip的智能傳感器、變送器直接成為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，其控制參數(shù)和狀態(tài)直接在企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸和共享，從而避免了fcs因存在多種協(xié)議而難以集成的局面。但工業(yè)ethernet采用csma/cd協(xié)議，其解決通信沖突的方法本質(zhì)上不具有通信確定性和魯棒性，使其并不能完全取代現(xiàn)場總線，不同控制網(wǎng)絡(luò)走向統(tǒng)一的時機還遠未到來。目前在工業(yè)過程控制領(lǐng)域中最好的解決方案是融合或組合以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)，可以有效的保護既有的技術(shù)和投資，并實現(xiàn)系統(tǒng)集成2。ethernet/fcs的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示:圖1     ethemet/f

8、cs的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3  基于ethernet的電廠監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)        由于與internet的無縫結(jié)合、低成本、高帶寬以及廣泛的開放性和兼容性，以太網(wǎng)已成為企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)intranet的首要選擇?；趀thernet技術(shù)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)模型的創(chuàng)新點和最主要的特點是融合ethernet技術(shù)和fcs，貫穿于整個網(wǎng)絡(luò)的各層次，使它成為透明的覆蓋整個電廠范圍的應(yīng)用實體，實現(xiàn)電廠mis、sis和現(xiàn)場dcs的管控一體化的無縫結(jié)合。將現(xiàn)場設(shè)備和管理層集成于同一層以太網(wǎng)上形成扁平化的電廠控制網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控示意

9、圖如圖2所示:圖2     基于web的電廠監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖    工業(yè)ethernet向控制層滲透、應(yīng)用于過程控制的監(jiān)控級、與fcs融合使用已成必然趨勢，但基于工業(yè)ethernet的電廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中如何解決大規(guī)模系統(tǒng)中實時性和可靠性間的矛盾等關(guān)鍵技術(shù)，期待解決:3.1  ethernet的通信時間確定性        由于ethernet采用csma/cd協(xié)議，其解決通信沖突的方法本質(zhì)上不具有通信

10、確定性，難以保證控制系統(tǒng)的實時性，這是它在工業(yè)現(xiàn)場中應(yīng)用的主要障礙之一。但以太網(wǎng)的高傳輸速率是其它網(wǎng)絡(luò)難以比擬的，為解決其時間確定性提供了良好基礎(chǔ)，主要技術(shù)路線有4條。    （1） 采用星型拓撲結(jié)構(gòu)、具有數(shù)據(jù)交換功能的智能集線器，提供緩沖存儲器，降低數(shù)據(jù)沖撞和重發(fā)概率，從而達到通信確定性的要求。    （2） 使用全雙工（full-duplex）通信模式。    （3） 降低網(wǎng)絡(luò)負載和提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。   

11、60;（4） 增強ethernet接插件、交換機、通信電纜等抗干擾能力。與傳統(tǒng)的共享式以太網(wǎng)相比，交換式集線器同時提供多個傳輸路徑，顯著地改善了傳輸能力，提高了系統(tǒng)實時性。3.2  基于工業(yè)ethernet的通訊結(jié)構(gòu)模式        采用基于b/s和c/s混合結(jié)構(gòu)模式實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。在電廠現(xiàn)場控制系統(tǒng)中，采集的數(shù)據(jù)集中到實時數(shù)據(jù)庫中，采用c/s結(jié)構(gòu)模式，可利用其交互能力強、客戶端功能強和實時性強等特點，實現(xiàn)現(xiàn)場實時控制;對于遠程用戶，采用b/s模式，可充分利用b/s模式優(yōu)點，實現(xiàn)電

12、廠遠程監(jiān)控的需要。3.3  以太網(wǎng)安全性        工業(yè)ethernet把傳統(tǒng)的3層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（即信息管理層、過程監(jiān)控層、現(xiàn)場設(shè)備層）合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸更快、實時性更高，并接入internet，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，同時也帶來網(wǎng)絡(luò)安全問題。為此，采用網(wǎng)絡(luò)隔離的辦法將電廠內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)分開，同時加入防火墻，且通過操作密碼登陸intranet來賦予不同操作人員的權(quán)限方法。4  系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)4.1  b/s和c/s混合模式的實現(xiàn)  

13、;      對于現(xiàn)場控制系統(tǒng)，需要集中管理、分散控制和風(fēng)險分散，因此采用c/s結(jié)構(gòu)，利用其交互能力強，客戶端功能強，執(zhí)行效率高，集中管理數(shù)據(jù)庫和實時性強等特點，實現(xiàn)現(xiàn)場實時監(jiān)控。首先，客戶端利用odbc對實時數(shù)據(jù)庫進行本地訪問，其模塊集成在客戶端的應(yīng)用程序中，或以activex控件的形式嵌入在客戶端中的程序中;其次，對于服務(wù)器和客戶端的交互，可以通過wsocket代碼來實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收，其中發(fā)送包在服務(wù)器中實現(xiàn)，接收數(shù)據(jù)包在客戶端實現(xiàn)。但c/s模式也存在很多弊端，如程序開發(fā)量大、客戶端負載大、系統(tǒng)維護困難和安全性差等，不適合

14、遠程監(jiān)控需要。        目前，引入b/s模式到應(yīng)用現(xiàn)場，它借助于http協(xié)議和web技術(shù)，由c/s模式不斷改進發(fā)展而來。b/s模式為三層結(jié)構(gòu)，各層相互獨立，完成特定功能?？蛻敉ㄟ^瀏覽器訪問系統(tǒng)平臺，形成一點對多點，多點對多點的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)效率。其工作優(yōu)點是典型客戶模式、無需開發(fā)客戶端軟件、效率高、易于維護、平臺無關(guān)性等。        基于b/s的監(jiān)控系統(tǒng)主要通過采用asp技術(shù)和activex組件（com/dcom）技術(shù)相結(jié)合

15、來實現(xiàn)系統(tǒng)的web應(yīng)用，其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。即web頁面利用vscript或jscript語言編寫，嵌入activex組件;然后activex控件根據(jù)網(wǎng)頁的參數(shù)設(shè)置，通過應(yīng)用服務(wù)器向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提交數(shù)據(jù)請求，接收并解析響應(yīng)的數(shù)據(jù)包，把監(jiān)測數(shù)據(jù)信息實時、動態(tài)地傳遞給用戶，實現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)的遠程實時監(jiān)控。其中activex組件中封裝了與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的查詢接口、與本地工作站的交互操作和數(shù)據(jù)的自動讀取和顯示等功能。圖3     activex和asp相結(jié)合的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)4.2  opc的開發(fā)   &#

16、160;    opc（olc for process control）的基礎(chǔ)是microsoft的ole、com/dcom技術(shù)，它是現(xiàn)場設(shè)備級和過程管理級進行信息交互的開放的接口標準和技術(shù)規(guī)范，支持分布式或異構(gòu)環(huán)境下應(yīng)用程序之間軟件的無縫集成和互操作。從數(shù)據(jù)傳輸角度說，opc服務(wù)器實質(zhì)上是一個網(wǎng)關(guān)，一方面從現(xiàn)場設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，另一方面把來自不同類型的fcs的不同類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的opc數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)信息系統(tǒng)的集成。由于opc技術(shù)標準比較復(fù)雜，目前只有一部分fcs設(shè)備提供了opc的接口驅(qū)動。opc接口規(guī)范主要包括da和ae

17、兩個部分，對于應(yīng)用軟件，如監(jiān)控組態(tài)軟件，da部分的opc client接口直接集成到組態(tài)軟件的程序中，而ae的處理則通過activex控件來實現(xiàn)。        opc服務(wù)器對象opc da server提供連接的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)訪問的方法。因此，在建立opc組和標簽之前必需建立opc服務(wù)器對象，在vb中創(chuàng)建opc da server的方法為:        dim witheve

18、nts anopcserver as opcserver    set anopcserver=new opcserver        opc服務(wù)器對象建好后用opc數(shù)據(jù)訪問自動接口的“connect”方法與數(shù)據(jù)源連接。        opc c1ient和opc da server進行通訊連接時，通常一個opc client可以與