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工业Ethernet在电厂远程实时监控系统中的应用

2007-04-16 00:00:00

  1  引言

  随着现代电厂信息自动化进程的加快,电厂逐渐将管理、决策、市场信息和现场控制信息结合起来,实现电厂信息管理系统MIS(Management Information System)、厂级监控信息系统SIS(Supervisory Information System)、分散控制系统DCS(Distributed Control System)三层信息系统管控一体化。在电厂DCS设计过程中,通常采用的是现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System),但现场总线相互之间兼容性差、生产现场自控设备的种类繁多,导致不同的总线产品之间无法实现互连、互换和统一组态。

  而以太网(Ethernet)是目前应用最为广泛的计算机通信技术,它具有开放性、低成本、广泛的软硬件技术支持等优势,有利于现场控制的彻底分散。特别是,随着高性能智能仪表的出现,高兆网(从100Mbps、1000Mbps到1Gbps)的普遍使用, 使以太网逐步进入工业控制领域,是目前企业信息综合自动化系统理想的解决方案,日益进步成为网络控制系统的发展趋势。本文主要根据工业Eth

ernet技术的技术优势,阐述其在电厂实时监控系统中的应用。

  2  工业Ethernet的应用现状

  以太网最早起源于美国夏威夷大学,其具有以下优点:

  (1) 数据传输速率高,提供足够的带宽;

  (2) 使用交互式和开放的数据存取技术;

  (3) 多种传输协议并行;

  (4) 具有广泛的技术支持;

  (5) 允许使用不同的物理介质和构建不同的拓扑结构。

  以太网本质上只是一个物理层标准,就像RS-232/485标准一样,目前网络传输协议TCP/IP基本上已成为通用标准,为多数厂家所接受,但在应用层协议上还存在分歧。目前主要的现场总线组织都在开发基于以太网的现场总线协议(如FF、Profibus等),更有一些公司已在开发具有以太网接口的产品,并有研究成果出现。从市场角度考虑,工业Ethernet在应用层的统一还需比较长的时间[1]。

  工业Ethernet和Internet技术的发展完全改变了传统企业的网络架构,工业Ethernet向控制系统底层延伸是必然趋势。以太网在现场最典型的应用形式是Ethernet+TCP/IP,使以太网很容易集成到以Internet和Web技术为代表的信息网络系统中,Web技术的渗透使过程I/O信号不再专属于某一控制系统;智能仪表的出现更使用户不必亲临现场就能监控生产过程。因此,基于Ethernet+TCP/IP的智能传感器变送器直接成为网络的节点,其控制参数和状态直接在企业信息网络内传输和共享,从而避免了FCS因存在多种协议而难以集成的局面。但工业Ethernet采用CSMA/CD协议,其解决通信冲突的方法本质上不具有通信确定性和鲁棒性,使其并不能完全取代现场总线,不同控制网络走向统一的时机还远未到来。目前在工业过程控制领域中最好的解决方案是融合或组合以太网和现场总线技术,可以有效的保护既有的技术和投资,并实现系统集成[2]。Ethernet/FCS的网络结构如图1所示:

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  图1     Ethemet/FCS的网络结构

  3  基于Ethernet的电厂监控系统体系结构

  由于与Internet的无缝结合、低成本、高带宽以及广泛的开放性和兼容性,以太网已成为企业内部网Intranet的首要选择。基于Ethernet技术的工业控制网络模型的创新点和最主要的特点是融合Ethernet技术和FCS,贯穿于整个网络的各层次,使它成为透明的覆盖整个电厂范围的应用实体,实现电厂MIS、SIS和现场DCS的管控一体化的无缝结合。将现场设备和管理层集成于同一层以太网上形成扁平化的电厂控制网络远程监控示意图如图2所示:

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  图2     基于Web的电厂监控系统软件体系结构图

  工业Ethernet向控制层渗透、应用于过程控制的监控级、与FCS融合使用已成必然趋势,但基于工业Ethernet的电厂监控系统设计中如何解决大规模系统中实时性和可靠性间的矛盾等关键技术,期待解决:

  3.1  Ethernet的通信时间确定性

  由于Ethernet采用CSMA/CD协议,其解决通信冲突的方法本质上不具有通信确定性,难以保证控制系统的实时性,这是它在工业现场中应用的主要障碍之一。但以太网的高传输速率是其它网络难以比拟的,为解决其时间确定性提供了良好基础,主要技术路线有4条。

  (1) 采用星型拓扑结构、具有数据交换功能的智能集线器,提供缓

冲存储器,降低数据冲撞和重发概率,从而达到通信确定性的要求。

  (2) 使用全双工(Full-Duplex)通信模式。

  (3) 降低网络负载和提高网络传输速率。

  (4) 增强Ethernet接插件、交换机、通信电缆等抗干扰能力。与传统的共享式以太网相比,交换式集线器同时提供多个传输路径,显著地改善了传输能力,提高了系统实时性。

  3.2  基于工业Ethernet的通讯结构模式

  采用基于B/S和C/S混合结构模式实现远程实时监控。在电厂现场控制系统中,采集的数据集中到实时数据库中,采用C/S结构模式,可利用其交互能力强、客户端功能强和实时性强等特点,实现现场实时控制;对于远程用户,采用B/S模式,可充分利用B/S模式优点,实现电厂远程监控的需要。

  3.3  以太网安全性

  工业Ethernet把传统的3层网络系统(即信息管理层、过程监控层、现场设备层)合成一体,使数据的传输更快、实时性更高,并接入Internet,实现了数据的共享,同时也带来网络安全问题。为此,采用网络隔离的办法将电厂内部控制网络与外部网络分开,同时加入防火墙,

且通过操作密码登陆Intranet来赋予不同操作人员的权限方法

 

  4  系统设计与实现

  4.1  B/S和C/S混合模式的实现

  对于现场控制系统,需要集中管理、分散控制和风险分散,因此采用C/S结构,利用其交互能力强,客户端功能强,执行效率高,集中管理数据库和实时性强等特点,实现现场实时监控。首先,客户端利用ODBC对实时数据库进行本地访问,其模块集成在客户端的应用程序中,或以ActiveX控件的形式嵌入在客户端中的程序中;其次,对于服务器和客户端的交互,可以通过WSocket代码来实现数据信息的发送和接收,其中发送包在服务器中实现,接收数据包在客户端实现。但C/S模式也存在很多弊端,如程序开发量大、客户端负载大、系统维护困难和安全性差等,不适合远程监控需要。

  目前,引入B/S模式到应用现场,它借助于HTTP协议和Web技术,由C/S模式不断改进发展而来。B/S模式为三层结构,各层相互独立,完成特定功能。客户通过浏览器访问系统平台,形成一点对多点,多点对多点的结构,提高了系统效率。其工作优点是典型客户模式、无需开发客户端软件、效率高、易于维护、平台无关性等。

  基于B/S的监控系统主要通过采用ASP技术和ActiveX组件(COM/DCOM)技术相结合来实现系统的Web应用,其网络体系结构如图3所示。即Web页面利用VScript或JScript语言编写,嵌入ActiveX组件;然后ActiveX控件根据网页的参数设置,通过应用服务器向数据库服务器提交数据请求,接收并解析响应的数据包,把监测数据信息实时、动态地传递给用户,实现图形数据的远程实时监控。其中ActiveX组件中封装了与数据库服务器的查询接口、与本地工作站的交互操作和数据的自动读取和显示等功能。

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  图3     ActiveX和ASP相结合的系统体系结构

  4.2  OPC的开发

  OPC(OLC for Process Control)的基础是Microsoft的OLE、COM/DCOM技术,它是现场设备级和过程管理级进行信息交互的开放的接口标准和技术规范,支持分布式或异构环境下应用程序之间软件的无缝集成和互操作。从数据传输角度说,OPC服务器实质上是一个网关,一方面从现场设备读取数据,另一方面把来自不同类型的FCS的不同类型的数据转化成统一的OPC数据格式,实现信息系统的集成。由于OPC技术标准比较复杂,目前只有一部分FCS设备提供了OPC的接口驱动。OPC接口规范主要包括DA和AE两个部分,对于应用软件,如监控组态软件,DA部分的OPC Client接口直接集成到组态软件的程序中,而AE的处理则通过ActiveX控件来实现。

  OPC服务器对象OPC DA Server提供连接的数据源和数据访问的方法。因此,在建立OPC组和标签之前必需建立OPC服务器对象,在VB中创建OPC DA Server的方法为:

  Dim WithEvents AnOPCServer As OPCServer

  Set AnOPCServer=New OPCServer

  OPC服务器对象建好后用OPC数据访问自动接口的"Connect"方法与数据源连接。

  OPC C1ient和OPC DA Server进行通讯连接时,通常一个OPC Client可以与多个服务器同时连接,而一个OPC服务器也可同时被多个OPC应用程序连接。与多个OPC Serve

r连接时,对每个Server都要连接一次,当不要某个OPC Server时,要将该服务线程终止,释放占用资源。通过类COPCDAConnection来记录每一个连接,用指针列表ServerList来记录所有的连接。这里以与单服务器连接为例,连接和释放的流程如图4所示。

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  图4     OPC Client与服务器的连接和释放流程

  在OPC中,数据传输是以组为单位进行传输的。在运行状态中,为了不引起堵塞而导致画面停顿,一般都采用异步方式写数据,采用数据订阅方式被动地接收数据。

  5  结束语

  Ethernet是信息技术中技术最为成熟、有众多硬件供应商支持的信息高速通道,它把大量的局域网联成了广域网,将其应用到电厂控制领域,在现场设备中内置Web服务器,使之具备网络发布功能,又能与现场总线技术相互渗透,实现电厂MIS、SIS和DCS系统的管控一体化。同时,与Internet技术的结合是工业控制网络发展的必然趋势,这一切使得基于以太网的远程监控在电厂有广阔的发展前景。

 

 

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