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　　0 引言

　　隨著自動化系統越來越智能化和更靈活，系統中的傳感器和控制器等智能儀表的數量不斷增加而且更加分散，因而系統中不同設備之間的數據交換量也不斷增大。因此，為保證系統的實時性和確定性，自動化控制網絡顯得極為重要。說到控制網絡，人們都會想到現場總線，近年來現場總線確實得到快速發展，但昂貴的硬件費用以及不同總線設備之間難以通信的缺點限制了現場總線的應用。因此，無論是最終用戶還是開發商都在尋找高性能、低成本的解決方案。

　　隨著以太網的迅速發展，以太網已成為事實上的工業標準。目前不僅在辦公自動化領域，而且在各個企業的管理網絡也都廣泛使用以太網技術。由于它技術成熟，連接電纜和接口設備價格相對較低，帶寬也在飛速增長(出現了干兆甚至萬兆以太網)，特別是交換式以太網技術的出現，使人們轉向希望以物美價廉的以太網設備替代控制網絡中相對昂貴的專用總線設備。

　　1 以太網的特性

　　以太網是IEEE802.3所支持的局域網標準，最早由Xerox公司開發，DEC公司、Intel公司和Xerox公司聯合擴展，成為以太網標準。按照IS0開放系統互連參考模型的7層結構，以太網標準只定義了鏈路層和物理層。作為一個完整的通信系統，它需要高層協議的支持。

　　以太網的媒介訪問控制協議(CSMA/CD)有無法預見的延遲特性。網絡每個節點要通過競爭來取得信息包的發送權：節點監聽信道，只有發現信道空閑時，才能發送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發送后，還需要檢查是否發生碰撞，信息如發生碰撞，需退出重發。顯然，在信道繁忙的情況下，數據的實時性無法得到保證，這也正是長期阻礙以太網進入工業控制領域的主要障礙。然而，由于快速以太網與交換式以太網技術的發展，給解決以太網的非確定性問題帶來了新的契機，使這一應用成為可能。

　　2 以太網進入工業控制領域已成為現實

　　過去幾年，以太網技術有了迅猛發展。其中交換式以太網技術的發展與應用大大地改善了以太網技術中由于CSMA/CD媒介訪問方法產生的不確定性問題，它與快速以太網、干兆以太網技術結合，使以太網的實時性、確定性都得到了較大的改善。

　　與傳統的以太網相比，交換式以太網在兩方面有較大改進。首先，兩者在集線器操作方式上有很大不同。在傳統的以太網中，HUB將一個端口接收的數據發送到所有其他端口，它實現的是一種廣播功能，這也意味著每次都只有一個節點能發送數據。而交換機是一種智能HUB，它能識別并處理所接收的數據的目的地址而僅僅將它發送到目的端口，這也意味著多個節點可以同時發送數據。其次，傳統以太網中，節點與HUB之間是半雙工連接，而交換式以太網采用全雙工，這樣節點可以同時發送和接收數據。有了這兩方面的不同，交換式以太網克服了傳統以太網的缺點。大大提高了網絡性能，使原來的“共享式”帶寬變成了“獨占式”帶寬，較好地解決了帶寬問題。

　　除以上兩方面外，交換式以太網運用了交換技術的典型方法，即存儲轉發。其工作原理是：當交換機收到源站發送來的數據幀后，首先檢查目的站信道是否空閑，若空閑則發送，若忙則將數據保存在緩沖區，直到信道空閑才將其發送。另外，如果同時收到幾個要發送到同一個目的站的數據幀，交換機會將他們存儲在緩沖區，然后再依次發送。采用交換機的另一好處是將沖突域分割開來，從而擴大了網絡系統的覆蓋范圍。如今，以太網還發展了虛擬局域網(VLAN)、虛擬沖突以及容錯冗余等技術。

　　當以太網解決了不確定性問題后，完全具備進入工業控制領域的條件，而且具有現場總線無法比擬的優勢。目前，各制造商正在研制適應于工業環境的以太網產品、控制器，并且已經有很多工業以太網產品進入市場，在工業各領域應用越來越廣泛。

　　3 應用實例

　　隨著企業信息化大潮的到來，石油工業同樣在向智能化和信息化發展。一般來說，企業的信息系統按功能可劃分為3層：底層為完成生產現場測量控制功能的過程控制層PCS(Process Control System);最上層為企業資源規劃層ERP(Enterprise Resource Planning);而傳統概念上的監控、管理、調度等多項控制管理功能交錯的部分都被包羅在中間的制造執行層MES(Manufacturing Execution System)。要實現企業的一體化解決方案，實現信息的集成與綜合應用，就需要在各層內部以及各層信息源之間進行信息集成。與發達國家相比我國石油開采技術水平還有一定差距，目前我國的采油井95%以上是機采，大多數數據采集依靠人工完成，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，但油井現場的數據還不能實現無縫上傳，無法實現高效的采油調度管理。本例介紹了利用以太網控制網絡實現對油井的監控，使油田信息網絡向井口擴展，實現油井數據的實時傳送和信息網絡的無縫鏈接，形成油田生產管理與監控一體化的信息網絡。

　　圖1 系統框圖

　　眾所周知，油井的管理是油田生產管理中關鍵的環節之一，其特點是地區偏遠、工作量大、技術難度高。本系統充分考慮到油田的地理特點，中控室放在轉油站，距離中控室較遠的油井利用無線通信，近距離的油井和轉油站采用有線方式，系統框圖如圖1。系統以美國Optimation公司的OptiLogic以太網RTU(10Mbps)作為油井和計量站數據采集及操作控制的智能終端設備，每個RTU最多可傳送3口油井的數據(電流、電壓、油溫、油壓、負荷、編碼信號等)，站內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、流量等數據。系統選用臺灣Macromate公司的無線以太網路由器(MAP811)和無線以太網橋(MAP811E)作為采油小隊與油井之間的無線通信設備，它采用直擴DSSS的傳輸方式，速率可達11Mbps,支持TCP/IP協議標準。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。通過井口架設定向天線和采油小隊架設全向天線，實現井口與監控工作站的通信。中控室的交換機將監控工作站和各路設備連接起來，通過交換機的VLAN(虛擬局域網)功能，將監控工作站和其他端口之間分別設為VLAN，減少了不必要的廣播流量和數據沖突。

　　系統以美國Entivity公司Think&Do控制軟件作為采油小隊中央控制室監控工作站的監控組態軟件。本系統通過運行于監控工作站的Think&Do應用軟件，以50ms的掃描速率對所有I/O數據進行刷新并將所有數據分類保存在文本文件(.TXT)中。監控工作站上的原始數據通過100M以太網及時傳送給數據服務器以備上一級查詢，它們之間可通過DCOM標準接口或Think&Do的TnDNTag控件進行實時數據通信。數據服務器和采油廠及管理局之間通過遠程登陸程序，可實現對現場數據的查詢。

　　上例介紹的是長慶油田某采油廠的一個示范項目，該系統用了5個RTU對10口井進行監控，通常情況下，當沖突域中RTU數量少于5個時，幾乎沒有沖突產生。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，可以用交換機分成不同的沖突域(如圖2)，利用交換機的存儲轉發功能，完全可以保證系統的確定性。

　　圖2 系統擴充圖

　　4 網絡延時分析

　　為了對圖1所示系統的實時性有更清晰的認識，我們可以分析該系統的最大延時。

　　在以下情況系統會產生最大延時：(1)RTU的響應時間最長;(2)經過MAP811時有最大沖突次數;(3)交換機產生最大的排隊延時。

　　根據optilogic提供的數據，其以太網RTU的響應時間如表1所示。在該系統中井口的RTU最大響應時間為采集3口油井數據的RTU所產生的響應時間，其中包括3個數字量模塊和3個模擬量模塊，其響應時間為：

　　Tres = Tbas + 3×Tmd + 3×Tma= 1.6+0.3+3×0.2+3×0.73= 4.69ms (1)

　　其中Tres為RTU總響應時間，Tbas，Tmd，Tma分別為RTU機架、開關量模塊和模擬量模塊的響應時間。

　　Think&Do的限制響應時間功能要求在設定時間內收到RTU的響應信息，若在設定的時間內未得到相應信息則斷開與該RTU的連接。利用該功能對5個RTU通過MAP811組成的系統進行了響應時間測試，結果如表2所示。通過表2可以看出當設定值到15ms以上時長時間內都沒有RTU被斷開，則可認為經過MAP811產生最大延時為：

　　Tmap = 15-Tres = 15 - 4.69 = 10.31ms (2)

　　值得一提的是，若直接采用網線將RTU與交換機相聯，整個系統的延時將可減少MAP811所產生的延時，必將大大增強系統的實時性。

　　交換機存儲轉發最大延時產生在有4個幀同時到達(圖1)，而這時產生的延時會小于1ms[1]。這樣整個系統的最大延時不會超過16ms，對于一般的系統完全可以滿足實時性要求。而在實際中我們將限制響應時間設定為20ms，這樣可以保證系統長時間不會有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RTU響應時間

　　表2 經MAP811后RTU的響應時間

　　5 結束語

　　上例介紹的井網實時監控系統現在已經運行，較之以往的方式(如數傳電臺)，系統的實時性提高了很多。該系統的成功運行，也證明了以太網已經完全可以滿足工業控制領域的實時性要求。同時，以太網能夠與工廠信息管理系統進行直接地、無縫地連接，而無需任何專用設備。實現了油田信息網絡向井口擴展，油井數據的實時傳送和信息網絡的無縫鏈接，形成了油田生產管理與監控一體化的信息網絡。

　　參考文獻

　　[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，工業以太網在控制系統中的應用前景，自動化儀表，2002(9)

　　[4] 胡道元等，計算機局域網，清華大學出版社，2002

　　[5] 馮大為等，從信息集成看現場總線的發展，冶金工業自動化，2001(6)

　　[6] 陽憲惠等，現場總線技術及其應用，清華大學出版社，1999