一 引言 以太網(wǎng)產(chǎn)生于1973年，當(dāng)時，施樂公司的Bob Metcalfe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 Palo Alto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、Digital Equipment 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/CD 802.3標(biāo)準(zhǔn)。1983年CSMA/CD 802.3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)玫搅嗽絹碓蕉嗟膽?yīng)用。
二 以太網(wǎng)技術(shù)介紹及其發(fā)展趨勢[1]
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)（Shared Ethernet），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)（Switched Ethernet）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。目前，以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展情況如表1所示。
表1 以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展情況
三． 串口上網(wǎng)技術(shù) [2]
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。現(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/IP Socket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。
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)[5]
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。基本思路是以路由器、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。
控制中心的SCADA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。基于以太網(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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