基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線在工控網(wǎng)絡中應用new

1、工業(yè)計算機網(wǎng)絡課程研究報告基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線在工控網(wǎng)絡中應用姓名： X X 學院： 電氣與電子工程學院 班級： 09自動化3 學號： XXXXXXXXXX 郵箱：XX時間： 2012年6月5日 基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線在工控網(wǎng)絡中的應用摘要由于以太網(wǎng)具有應用廣泛、價格低廉、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應用支持技術成熟等優(yōu)點，目前它已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到了廣泛應用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應用于工業(yè)控制現(xiàn)場的趨勢。加上現(xiàn)場總線在工控網(wǎng)絡中的便捷性、統(tǒng)一性，從目前國際、國內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)技術的發(fā)展來看，基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線在制造執(zhí)行層已得到廣泛應用，并成為

2、事實上的標準。未來工業(yè)以太網(wǎng)將在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的現(xiàn)場設備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來越重要的作用。關鍵字：現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工控網(wǎng)絡目錄摘要1現(xiàn)場總線概述21.1什么是現(xiàn)場總線21.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)越性21.3現(xiàn)場總線的不足31.4現(xiàn)場總線發(fā)展趨勢32工控網(wǎng)絡42.1什么是工控網(wǎng)絡42.2工控網(wǎng)絡中現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的結合42.3基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線已成為工業(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展方向43.基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線在工控網(wǎng)絡中應用（以煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)為例）63.1系統(tǒng)簡介63.2 基于工業(yè)以太網(wǎng)加現(xiàn)場總線的電力監(jiān)控系統(tǒng)的構成64 電力監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能85 結語84發(fā)展愿景9基于以太網(wǎng)

3、的現(xiàn)場總線在工控網(wǎng)絡中應用1現(xiàn)場總線概述1.1什么是現(xiàn)場總線它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。主要用于制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇、電力等方面的自動化系統(tǒng)中。1.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)越性現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)使工業(yè)過程控制發(fā)生了很大變化，它具有如下優(yōu)越性：（l）現(xiàn)場總線使得智能變送器中安裝的微處理器能夠直接與數(shù)字控制系統(tǒng)通信，而不要IO轉(zhuǎn)換，節(jié)約了費用；（2）現(xiàn)場總線可以取代每個傳感器到控制器

4、的單獨布線，減少了連線費用；（3）現(xiàn)場總線可以將一些先進功能，如線性化、工程量轉(zhuǎn)換以及報警處理等賦予現(xiàn)場總線儀表，提高了現(xiàn)場儀表的精度和可靠性；（4）現(xiàn)場總線可提供控制裝置與傳感器、執(zhí)行器之間的雙向通信，方便了操作員與被控設備之間的交互；（5）現(xiàn)場總線使得專門根據(jù)現(xiàn)場總線開發(fā)的現(xiàn)場儀表的使用成為可能，并將最終取代單變量模擬儀表，減少了儀表的購置、安裝與維修費用；（6）現(xiàn)場總線的開放性將使用戶有可能對備儀表廠商的產(chǎn)品任意進行選擇，井組成系統(tǒng)，而不必考慮接口是否匹配。1.3現(xiàn)場總線的不足圖1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結構圖現(xiàn)場總線有其突出的優(yōu)點，但也有其明顯的不足之處，主要表現(xiàn)在以下兩點（l）現(xiàn)場總線沒有

5、單一的國際標準各類現(xiàn)場總線制定了各自不同的體系結構和標準。而經(jīng)14年的紛爭， 2000年初8種現(xiàn)場總線成為IEC現(xiàn)場總線國際標準子集。這一結果令人失望，也違背了制定世界上單一現(xiàn)場總線標準的初衷。盡管基金會現(xiàn)場總線試圖推出中立和公正、防止任何技術壟斷、廣泛性的體系結構和標準，但至今仍有一些標準未能取得一致通過，并且遲遲未見產(chǎn)品問世?，F(xiàn)場總線真正實現(xiàn)開放性任重而道遠。在這種情況下，多種現(xiàn)場總線并存，共存于一個系統(tǒng)已成為客觀事實。（2）現(xiàn)場總線的系統(tǒng)開發(fā)困難，開放性有一定的局限性FF， Lon Works， CAN等現(xiàn)場總線均有自己的協(xié)議，要構成一個控制系統(tǒng)，必須采用相應的開發(fā)工具、平臺、軟件包。這

6、需要較昂貴的代價，往往只有開發(fā)商、研究機構才能有這類開發(fā)工具，一般用戶則無能為力。這說明現(xiàn)場總線的開放性仍有一定的局限性。許多技術人員正致力于現(xiàn)場總線圖形化節(jié)點軟件開發(fā)工具的研究工作。當現(xiàn)場總線由于以上不足而停滯不前時，人們開始尋找新的出路，以太網(wǎng)進入了人們的視線。1.4現(xiàn)場總線發(fā)展趨勢從現(xiàn)場總線技術本身來分析，它有兩個明顯的發(fā)展趨勢： 一是尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標準 二是Industrial Ethernet走向工業(yè)控制網(wǎng)絡 統(tǒng)一、開放的TCP/IP Ethernet是20多年來發(fā)展最成功的網(wǎng)絡技術 ，過去一直認為，Ethernet是為IT領域應用而開發(fā)的，它與工業(yè)網(wǎng)絡在實時性、環(huán)境適應性、

7、總線饋電等許多方面的要求存在差距，在工業(yè)自動化領域只能得到有限應用。事實上，這些問題正在迅速得到解決，國內(nèi)對EPA技術（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的進展。 隨著FF HSE的成功開發(fā)以及PROFInet的推廣應用，可以預見Ethernet技術將會十分迅速地進入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡。2工控網(wǎng)絡2.1什么是工控網(wǎng)絡工控指的是工業(yè)自動化控制,主要利用電子電氣、機械、軟件組合實現(xiàn)。即是工業(yè)控制（Factory control），或者是工廠自動化控制（Factory Automation control）。主要是指使用計算機技術，微電子技術，電氣手段，

8、使工廠的生產(chǎn)和制造過程更加自動化、效率化、精確化，并具有可控性及可視性。2.2工控網(wǎng)絡中現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的結合2.3基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線已成為工業(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展方向以以太網(wǎng)為代表的COTS(commercial offthe shelf) 信息網(wǎng)絡通信技術卻以其協(xié)議簡單、完全開放、穩(wěn)定性和可靠性好而獲得了全球的技術支持。與現(xiàn)場總線相比,以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點:（1） 應用廣泛Ethernet 的應用開發(fā),如Java ,Visual C以太網(wǎng)是目前應用最為廣泛的計算機網(wǎng)技術,受到廣泛的技術支持。幾乎所有的編程語言都支持+ + 及Visual Basic等。這些編程語言由于廣泛使用,并受到軟件開發(fā)商的

9、高度重視,具有很好的發(fā)展前景。因此,如果采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線,可以保證多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境供選擇。（2） 成本低廉由于以太網(wǎng)的應用最為廣泛,因此受到硬件開發(fā)與生產(chǎn)廠商的高度重視與廣泛支持,有多種硬件產(chǎn)品供用戶選擇。而且由于應用廣泛,硬件價格也相對低廉。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格只有Profibus ,FF 等現(xiàn)場總線的十分之一,并且隨著集成電路技術的發(fā)展,其價格還會進一步下降。（3） 通信速率高數(shù)據(jù)傳輸率很高。以太網(wǎng)支持的數(shù)據(jù)傳輸速率包括 10MbS，100MbPS和 IGfoS，比目前任何一種現(xiàn)場總線都快；以太網(wǎng)從扁平的總線共享模式發(fā)展到結構化的交換模式后，任意終端之間的通信通過交換機實現(xiàn)透明

10、的轉(zhuǎn)發(fā)，由于每個端口都是獨立的沖突域（Collision Domain），不存在信道共享引起的競爭問題，系統(tǒng)的通信容量成倍增加。相同通信量的條件下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡負荷的減輕，而網(wǎng)絡負荷的減輕則意味著提高確定性。（4） 軟硬件資源豐富 由于以太網(wǎng)已應用多年,人們對以太網(wǎng)的設計、應用等方面有很多的經(jīng)驗,對其技術也十分熟悉。大量的軟件資源和設計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓費用,從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本,并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。（5） 可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ笥捎谝蕴W(wǎng)的廣泛應用,使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術投入。并且,在這信息瞬息萬變的時代,企業(yè)的生存與發(fā)展將很大

11、程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網(wǎng)絡,信息技術與通信技術的發(fā)展將更加迅速,也更加成熟,由此保證了以太網(wǎng)技術不斷地持續(xù)向前發(fā)展。（6） 易于與Internet 連接,能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡與工業(yè)控制網(wǎng)絡的信息無縫集成（7） Web技術和以太網(wǎng)技術的結合，將實現(xiàn)生產(chǎn)過程的遠程監(jiān)控、遠程設備管理、遠程軟件維護和遠程設備診斷。（8） 以太網(wǎng)支持多種傳輸介質(zhì)，包括同軸電纜、雙絞線、光纜、無線等，使用戶可根據(jù)帶寬、距離、價格等因素作多種選擇。以太網(wǎng)支持總線型和星型拓撲結構，可擴展性強，同時可采用多種冗余連接方式，提高網(wǎng)絡的性能。因此,工業(yè)控制網(wǎng)絡采用以太網(wǎng),就可以避免其發(fā)展游離于計算機網(wǎng)絡技的發(fā)展主流之

12、外,從而使工業(yè)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡技術互相促進,共同發(fā)展,并保證技術上的可持續(xù)發(fā)展,在技術升級方面無需單獨的研究投入。誠然,以太網(wǎng)由于采用了CSMA/ CD 介質(zhì)訪問控制機制,各個節(jié)點采用BEB(binary exponential back2off) 算法處理沖突,具有排隊延遲不確定的缺陷,無法保證確定的排隊延遲和通信響應確定性,使之無法在工業(yè)控制中得到有效的使用。3.基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線在工控網(wǎng)絡中應用（以煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)為例）3.1系統(tǒng)簡介煤礦供電質(zhì)量對礦井安全和正常生產(chǎn)有著直接影響，隨著采煤機械化程度的提高，煤礦供配電系統(tǒng)運行的可靠性和合理性顯得更為重要。完善的電力監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地保證

13、井下電網(wǎng)的安全運行，并能實現(xiàn)供電的“移峰填谷”，給煤礦帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益。電子信息技術、自動化技術和網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，使工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場總線的控制網(wǎng)絡結構得到廣泛應用。本文基于現(xiàn)場總線技術，充分利用計算機網(wǎng)絡技術和先進的通信、控制方式，建立一套技術先進、功能完整、管理簡便的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)，整個系統(tǒng)較傳統(tǒng)的集中監(jiān)測系統(tǒng)性能大大增強，功能更為完善。系統(tǒng)采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，主干網(wǎng)絡采用光纖傳輸，在物理和邏輯上考慮到網(wǎng)絡信道的冗余，確保網(wǎng)絡通路的安全。系統(tǒng)采用嵌入式計算機，對井下用電設備的電力參數(shù)進行實時采集、處理，同時對設備的運行狀況進行實時監(jiān)視，設備出現(xiàn)異常時可以進行遠程控制操作。本系統(tǒng)的

14、建立，可對地面及井下電力系統(tǒng)中設備運行狀態(tài)和參數(shù)進行遠程監(jiān)測監(jiān)控，將設備使用累計數(shù)據(jù)如電度報警等信息通過報表、圖形等方式輸出，為設備的合理和安全使用提供依據(jù)；能變電室所各高、低壓開關的電力參數(shù)進行采集、測量與控制，實現(xiàn)對開關的遙信、遙測、遙調(diào)、遙控與遙視，提高井下變電所的自動化程度。3.2 基于工業(yè)以太網(wǎng)加現(xiàn)場總線的電力監(jiān)控系統(tǒng)的構成根據(jù)系統(tǒng)功能需要，本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)加現(xiàn)場總線的結構模式，由監(jiān)控計算機、變電所監(jiān)控站、綜合保護單元等組成，采用三層結構，第一層為監(jiān)控計算機，第二層為電力監(jiān)控站，第三層為智能隔爆高壓開關。系統(tǒng)主干信道是光纖以太環(huán)網(wǎng)到各變電所，通過網(wǎng)絡交換機的數(shù)據(jù)接口將變電所開關數(shù)

15、據(jù)接入主傳輸系統(tǒng)；在變電所內(nèi)安裝電力監(jiān)控站，采用現(xiàn)場總線RS一485方式采集變電所開關設備的運行參數(shù)和狀態(tài)，實現(xiàn)就地集中數(shù)據(jù)監(jiān)測和設備控制的功能，主站對采集到的信息進行處理，集中上傳到系統(tǒng)主機。系統(tǒng)后臺將來可以網(wǎng)絡方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺V井綜合自動化平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和網(wǎng)絡發(fā)布。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。井下變電所內(nèi)開關設備的運行參數(shù)和狀態(tài)通過綜合保護單元采集并輸出，電力監(jiān)控站和開關綜合保護單元之間采用RS一485(隔爆設備信號輸出通過安全隔離器作本安隔離處理)，變電所的電力參數(shù)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)诫娏ΡO(jiān)控系統(tǒng)后臺圖1 煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)總體結構圖3.21 系統(tǒng)后臺電力監(jiān)控系統(tǒng)后臺配置兩臺電力監(jiān)控計算

16、機，一臺主機，一臺備用機，采用雙機熱備用方式，充分保證系統(tǒng)運行安全、可靠主機正常工作時，監(jiān)控主機和備用機之間能進行數(shù)據(jù)交換，若監(jiān)控主機工作異常時，備用機立即執(zhí)行主機功能向各個變電所發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令，并提示用戶當前的故障信息。系統(tǒng)信息可通過OPC接口接入全礦井自動化系統(tǒng)或通過web在局域網(wǎng)發(fā)布。3.22 地面變電所地面35kV變電所高壓柜采用微機保護，對本條線路的電力數(shù)據(jù)進行采集和計算，并上傳數(shù)據(jù)；設置一臺KJF88礦用一般型電力監(jiān)控站，與微機保護進行通信，能將監(jiān)測數(shù)據(jù)就地顯示并上傳給監(jiān)控系統(tǒng)主機，可實現(xiàn)32路出線同時監(jiān)測。KJF88型電力監(jiān)控主站以嵌入式工控機為核心部件，基于windows操作

17、系統(tǒng)，有超強的數(shù)據(jù)采集和豐富的圖形處理功能，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。主站內(nèi)配有嵌入式視頻服務器，可接人兩路視頻輸入，將其轉(zhuǎn)換為MPEG4格式通過以太網(wǎng)上傳，配合數(shù)據(jù)監(jiān)控可實現(xiàn)變電所的無人職守。主站具有多種接口方式：以太網(wǎng)光接口、以太網(wǎng)本安電接口、本安RS一485接口，使聯(lián)網(wǎng)和設備接人更加靈活方便。3.23 屏幕顯示系統(tǒng)通過大屏幕投影拼接系統(tǒng)，可以實時觀看與監(jiān)控調(diào)度有關的各種信息，包括GIS電子地圖、實時視頻監(jiān)控信號、各種管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、各種歷史數(shù)據(jù)圖像以及電腦、電視、實物投影儀、DVD等信號源的信息和計算機網(wǎng)絡信息等多種信息，可隨時對各種現(xiàn)場信號和各類計算機圖文信號進行多畫面顯示和分析，及

18、時做出判斷和處理，發(fā)布調(diào)度指令，實現(xiàn)實時監(jiān)控和集中調(diào)度。3.3 電力監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能3.31 數(shù)據(jù)采集及統(tǒng)計1)系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集遙測量(電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電度等)與遙信量(斷路器刀閘位置、保護自動裝置動作信號等)數(shù)據(jù)。2)進行電壓等測量值的越限判別，系統(tǒng)及線路負荷率統(tǒng)計等。3)使用系統(tǒng)報表工具完成所需日報、月報或指定時段的報表制作、顯示及打印功能。4)利用系統(tǒng)圖形工具制作接線圖、功率總加圖、負荷曲線圖、保護配置圖等，用以完成對井下電網(wǎng)及設備的監(jiān)視、控制。3.32 自動化信息采集及事件順序記錄1)接收監(jiān)控站上傳的運行信息及變電所內(nèi)其它變化信息。2)查詢并遠方整定微機保護裝置，記錄保護

19、裝置動作信息及保護信號遠方復歸。3)記錄繼電保護、自動裝置和斷路器動作的時間，便于事故分析。3.33 控制、調(diào)節(jié)及運行報警功能1)控制、調(diào)節(jié)功能：包括操作人員的身份及權限檢查、選擇控制或調(diào)節(jié)對象、遙控和遙調(diào)信息預發(fā)、終端校核、遙控和遙調(diào)執(zhí)行或撤消、記錄操作過程等。2)運行報警功能：在系統(tǒng)用戶預先定義的情況下，對系統(tǒng)中的故障或不正常狀態(tài)發(fā)出提示報警信號，不同類別的信息可以設定不同的報警優(yōu)先權和不同的報警方式。3.4 結語綜上所述，基于現(xiàn)場總線的煤礦電力系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)在以下幾個方面性能優(yōu)越、優(yōu)勢明顯：1)先進性：系統(tǒng)設計有多種通訊接口，充分考慮到系統(tǒng)的擴展和兼容。2)實用性：具有監(jiān)控信息收集、處理、

20、查詢、統(tǒng)計、分析等功能，實現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和井下變電所的無人值守；系統(tǒng)既可以獨立運行也可以采用OPC方式與全礦自動化監(jiān)控系統(tǒng)連接。3)可靠性：在硬件設計和選型、軟件環(huán)境和應用系統(tǒng)的建設中充分體現(xiàn)系統(tǒng)在特殊環(huán)境下使用的可靠性。4)擴展性：預留軟硬件接口資源，方便以后電力系統(tǒng)的擴展。當增加變電所監(jiān)控時，只需增加少量低層設備，簡單修改軟件設置即可，同時通信網(wǎng)絡還可為其它通信系統(tǒng)提供通信通道?？傊鞠到y(tǒng)具有通訊技術先進、功能豐富實用、性能安全可靠以及可擴展性強等優(yōu)勢，必將在煤礦電力系統(tǒng)運行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計方面發(fā)揮重要作用。4發(fā)展愿景隨著IT技術的發(fā)展,以太網(wǎng)的發(fā)展也取得了本質(zhì)的飛躍,先后產(chǎn)生了高速以太網(wǎng)(100M)和千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品和國際標準,10G以太網(wǎng)也在研究之中。針對以太網(wǎng)的排隊延遲不確定性,以太網(wǎng)又增加了全雙工通信技術、交換技術、信息優(yōu)先級等來提高實時性,并改進了容錯技術。其中交換式以太網(wǎng)避免了交