工業(yè)Ethernet在電廠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(dòng)化進(jìn)程的加快，電廠逐漸將管理、決策、市場(chǎng)信息和現(xiàn)場(chǎng)控制信息結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)電廠信息管理系統(tǒng)mis（management information system）、廠級(jí)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(jì)過(guò)程中，通常采用的是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)fcs（fieldbus control system），但現(xiàn)場(chǎng)總線相互之間兼容性差、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)自控設(shè)備的種類(lèi)繁多，導(dǎo)致不同的總線產(chǎn)品之間無(wú)法實(shí)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(jì)算機(jī)通信技術(shù)，它具有開(kāi)放性、低成本、廣泛的軟硬件技術(shù)支持等優(yōu)勢(shì)，有利于現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，是目前企業(yè)信息綜合自動(dòng)化系統(tǒng)理想的解決方案，日益進(jìn)步成為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。本文主要根據(jù)工業(yè)ethernet技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，闡述其在電廠實(shí)時(shí)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(guó)夏威夷大學(xué)，其具有以下優(yōu)點(diǎn):

（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(kāi)放的數(shù)據(jù)存取技術(shù);
（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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

以太網(wǎng)本質(zhì)上只是一個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，就像rs-232/485標(biāo)準(zhǔn)一樣，目前網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議tcp/ip基本上已成為通用標(biāo)準(zhǔn)，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(chǎng)總線組織都在開(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議（如ff、profibus等），更有一些公司已在開(kāi)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(chǎng)角度考慮，工業(yè)ethernet在應(yīng)用層的統(tǒng)一還需比較長(zhǎng)的時(shí)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(shì)。以太網(wǎng)在現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程i/o信號(hào)不再專(zhuān)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(chǎng)就能監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)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(diǎn)，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(chǎng)總線，不同控制網(wǎng)絡(luò)走向統(tǒng)一的時(shí)機(jī)還遠(yuǎn)未到來(lái)。目前在工業(yè)過(guò)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(chǎng)總線技術(shù)，可以有效的保護(hù)既有的技術(shù)和投資，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成[2]。ethernet/fcs的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示:

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(wú)縫結(jié)合、低成本、高帶寬以及廣泛的開(kāi)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。基于ethernet技術(shù)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)模型的創(chuàng)新點(diǎn)和最主要的特點(diǎn)是融合ethernet技術(shù)和fcs，貫穿于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的各層次，使它成為透明的覆蓋整個(gè)電廠范圍的應(yīng)用實(shí)體，實(shí)現(xiàn)電廠mis、sis和現(xiàn)場(chǎng)dcs的管控一體化的無(wú)縫結(jié)合。將現(xiàn)場(chǎng)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(yuǎn)程監(jiān)控示意圖如圖2所示:

工業(yè)ethernet向控制層滲透、應(yīng)用于過(guò)程控制的監(jiān)控級(jí)、與fcs融合使用已成必然趨勢(shì)，但基于工業(yè)ethernet的電廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何解決大規(guī)模系統(tǒng)中實(shí)時(shí)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(shí)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)上不具有通信確定性，難以保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，這是它在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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?fù)浣Y(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(chǔ)器，降低數(shù)據(jù)沖撞和重發(fā)概率，從而達(dá)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(fù)載和提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。
（4） 增強(qiáng)ethernet接插件、交換機(jī)、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(shí)提供多個(gè)傳輸路徑，顯著地改善了傳輸能力，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。在電廠現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中，采集的數(shù)據(jù)集中到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，采用c/s結(jié)構(gòu)模式，可利用其交互能力強(qiáng)、客戶端功能強(qiáng)和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制;對(duì)于遠(yuǎn)程用戶，采用b/s模式，可充分利用b/s模式優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電廠遠(yuǎn)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(guò)程監(jiān)控層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層）合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸更快、實(shí)時(shí)性更高，并接入internet，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，同時(shí)也帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)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(kāi)，同時(shí)加入防火墻，且通過(guò)操作密碼登陸intranet來(lái)賦予不同操作人員的權(quán)限方法。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 b/s和c/s混合模式的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，需要集中管理、分散控制和風(fēng)險(xiǎn)分散，因此采用c/s結(jié)構(gòu)，利用其交互能力強(qiáng)，客戶端功能強(qiáng)，執(zhí)行效率高，集中管理數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。首先，客戶端利用odbc對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行本地訪問(wèn)，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(duì)于服務(wù)器和客戶端的交互，可以通過(guò)wsocket代碼來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)，接收數(shù)據(jù)包在客戶端實(shí)現(xiàn)。但c/s模式也存在很多弊端，如程序開(kāi)發(fā)量大、客戶端負(fù)載大、系統(tǒng)維護(hù)困難和安全性差等，不適合遠(yuǎn)程監(jiān)控需要。

目前，引入b/s模式到應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，它借助于http協(xié)議和web技術(shù)，由c/s模式不斷改進(jìn)發(fā)展而來(lái)。b/s模式為三層結(jié)構(gòu)，各層相互獨(dú)立，完成特定功能。客戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)平臺(tái)，形成一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)效率。其工作優(yōu)點(diǎn)是典型客戶模式、無(wú)需開(kāi)發(fā)客戶端軟件、效率高、易于維護(hù)、平臺(tái)無(wú)關(guān)性等。

基于b/s的監(jiān)控系統(tǒng)主要通過(guò)采用asp技術(shù)和activex組件（com/dcom）技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)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(yè)面利用vscript或jscript語(yǔ)言編寫(xiě)，嵌入activex組件;然后activex控件根據(jù)網(wǎng)頁(yè)的參數(shù)設(shè)置，通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器向數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器提交數(shù)據(jù)請(qǐng)求，接收并解析響應(yīng)的數(shù)據(jù)包，把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地傳遞給用戶，實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中activex組件中封裝了與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的查詢(xún)接口、與本地工作站的交互操作和數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取和顯示等功能。

4.2 opc的開(kāi)發(fā)

opc（olc for process control）的基礎(chǔ)是microsoft的ole、com/dcom技術(shù)，它是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)和過(guò)程管理級(jí)進(jìn)行信息交互的開(kāi)放的接口標(biāo)準(zhǔn)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(wú)縫集成和互操作。從數(shù)據(jù)傳輸角度說(shuō)，opc服務(wù)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)網(wǎng)關(guān)，一方面從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，另一方面把來(lái)自不同類(lèi)型的fcs的不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的opc數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的集成。由于opc技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)。opc接口規(guī)范主要包括da和ae兩個(gè)部分，對(duì)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(guò)activex控件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

opc服務(wù)器對(duì)象opc da server提供連接的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)訪問(wèn)的方法。因此，在建立opc組和標(biāo)簽之前必需建立opc服務(wù)器對(duì)象，在vb中創(chuàng)建opc da server的方法為:

dim withevents anopcserver as opcserver
set anopcserver=new opcserver

opc服務(wù)器對(duì)象建好后用opc數(shù)據(jù)訪問(wèn)自動(dòng)接口的“connect”方法與數(shù)據(jù)源連接。

opc c1ient和opc da server進(jìn)行通訊連接時(shí)，通常一個(gè)opc client可以與多個(gè)服務(wù)器同時(shí)連接，而一個(gè)opc服務(wù)器也可同時(shí)被多個(gè)opc應(yīng)用程序連接。與多個(gè)opc server連接時(shí)，對(duì)每個(gè)server都要連接一次，當(dāng)不要某個(gè)opc server時(shí)，要將該服務(wù)線程終止，釋放占用資源。通過(guò)類(lèi)copcdaconnection來(lái)記錄每一個(gè)連接，用指針列表serverlist來(lái)記錄所有的連接。這里以與單服務(wù)器連接為例，連接和釋放的流程如圖4所示。

在opc中，數(shù)據(jù)傳輸是以組為單位進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｔ谶\(yùn)行狀態(tài)中，為了不引起堵塞而導(dǎo)致畫(huà)面停頓，一般都采用異步方式寫(xiě)數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)訂閱方式被動(dòng)地接收數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

ethernet是信息技術(shù)中技術(shù)最為成熟、有眾多硬件供應(yīng)商支持的信息高速通道，它把大量的局域網(wǎng)聯(lián)成了廣域網(wǎng)，將其應(yīng)用到電廠控制領(lǐng)域，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中內(nèi)置web服務(wù)器，使之具備網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，又能與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相互滲透，實(shí)現(xiàn)電廠mis、sis和dcs系統(tǒng)的管控一體化。同時(shí)，與internet技術(shù)的結(jié)合是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)，這一切使得基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控在電廠有廣闊的發(fā)展前景。