（机械设计及理论专业论文）基于pac的分布式监控系统的研究与开发.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 油田联合站担负着油田原油生产，油、气、水处理，原油集输等重要任务， 在油田生产中占据着重要的地位。而目前大多数联合站都存在生产过程参数监测 技术陈旧、控制技术落后、设备老化及管理效率不高等问题。因而油田联合站自 动化改造是我国石油行业迈向现代化的一项重要工作，具有重大实际意义。 本文对比分析了d c s 、f c s 、以太网技术、p a c 各自特点及发展趋势，提出 一种基于p a c 的分布式监控系统，系统充分运用p a c 应用开发平台，取得了良好 的应用效果。在对传统组态软件体系结构分析的基础上，结合组件技术，提出一 种基于组件的分布式监控软件体系结构，并在此基础上实现了基于w e b 的远程监 控。 结合以上对基于p a c 的分布式监控系统的软硬件体系结构研究分析，以胜利 油田坨四站为例，介绍了坨四站分布式监控系统的总体设计、硬件设计及软件实 现。本文介绍的分布式监控系统采用分层分布式结构，以s n a pp a c 及i 0 构成 底层控制站，完成生产过程的数据采集和过程控制；以工控机构成系统的操作站， 完成数据显示、人机界面操作和对整个工艺流程的控制管理，以及报表打印、管 理分析等功能。在此基础上建立了基于w e b 的远程监控系统，实现了生产过程实 时信息的远程监控和管理。 关键词d c s ；p a c ；组态 耋璺垄三查耋三耋量圭耋堡篁蚤 a b s t r a c t o i l f i e l dc o m b i n a t i o ns t a t i o np l a y sav i t a lr o l ei no i l f i e l dp r o d u c i n g b e s i d e si n c l u d i n g p r o d u c i n go i l ，i tt a k e so nd i s p o s a lo fo i l ，g a sa n dw a t e r , o i ls t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o n h o w e v e r , m o s to i l f i e l db o m b i n a t i o ns t a t i o n sh a v em a n yp r o b l e m ss u c ha st e c h n i q u e b e h i n dt h et i m e si np a r a m e t e r sm e a s u r e m e n ta n dp r o c e s sc o n t r o l ，f a c i l i t i e sa g i n ga n d n o th i g hl e v e lo fm a n a g e m e n te f f i c i e n c y s oa u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mr e f o r m a t i o ni s a l li r n p o r m n tw o r kf o rc i v i lo i li n d u s t r yd i r e c t i n gt om o d e r n i z a t i o n , a n di th a sav e r y i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a t i o n c o m p a r e db e t w e e nd c s ，f c s ，e t h e m e t , t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n do u t l o o k sa r e a n a l y z e d , a n da d i s t r i b u t e dm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do np a ci sp u tf o r w a r di nt h ep a p e r t h en e ws y s t e mm a k e st h eb e s tu s eo f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f p a c ，a n di tc o m e s t oah i 曲e f f e c t o na n a l y z i n gt h ea r c h i t e c t u r eo ft r a d i t i o n a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e , c o m b i n i n gt h ec o m p o n e n tt e c h n o l o g y , ak i n do fd i s t r i b u t e dm o n i t r o i n gs o f t w a r e a r c h i t e c t u r ei sf o r m e d ，a n daw e br e m o t em o n i t r o r i n gs y s t e mi sr e a l i z e d a b o v e - m e n t i o n e dr e s e a r c ho ns o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fd i s t r i b u t e dm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do np a c a sa ne x a m p l eo f s h e n g l io i l f i e l dt u o s ic o m b i n a t i o ns t a t i o n , t h e w h o l ed e s i g n ，h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r er e a l i z a t i o no ft u o s id i s t r i b u t e dm o n i t o r i n g s y s t e ma 糟i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h eo i l f i e l ds t a t i o nd i s t r i b u t e dm o n i t o r i n gs y s t e m a d o p t e dd i s t r i b u t e ds 衄l c t u l - e , 聘a l i z e dd a ma c q u i s i t i o na n dp r o c e s sc o n t r o li m p l e m e n t e d b yt h es n a pp a ca n dy os y s t e m ；a c c o m p l i s h e dd a t ad i s p l a y i n ga n da n a l y z i n g , m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，s u p e r v i s i n gt h ew h o l ec r a f l w o r k , r e p o r tp r i n t i n gi m p l e m e n t e d b yi p c f i n a l l y ，aw e br e m o t em o n i t r o r i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d , r e m o t em o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n to f m a n u f a c t u r ep r o c e s sr e a l - t i m ei n f o r m a t i o ni sa c c o m p l i s h e d k e yw o r d ：d c s ：p a c ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 石油是我国的重要支柱产业之一，为我国的经济快速发展提供了能源保障，它 关系着国家的经济命脉。然而，随着我国经济的快速发展，能源紧缺日显突出，尤 其是石油资源更为短缺。目前，为了适应新形势下国家和市场对能源的要求，油田 企业不但要提高石油勘探开发技术水平、提高原油产量和质量，而且还要加快生产 管理的自动化建设步伐。 原油联合站主要完成油气生产过程中原油及天然气的收集和输送任务，是油气 生产的关键过程。我国油田联合站大多是在上世纪6 0 年代建成，由于当时原油产 量低、集输处理量小，靠人工测量及手动操作即可完成1 3 常生产管理工作。但是随 着生产规模的扩大、原油产量的提高，联合站的集输处理量不断增加，生产设备自 动监控及信息化水平已不能满足安全生产、产量及成本控制等方面的要求，迫切的 需要进行自动化方面的改造。 为适应竞争日趋激烈的能源市场，研究适合联合站生产过程的自动监控系统， 对生产过程的关键回路及主要工艺流程参数进行实时采集和动态监视，同时将生产 过程与信息管理系统紧密结合起来，为管理决策层提供可靠的决策依据，已成为联 合站自动化改造的迫切需求。 1 2 课题研究的目的和意义 本课题研究的目的在于实现联合站生产集输参数的自动采集，实时显示，生成 报表文件，数据处理、管理分析、手工录入、对某些需要控制的点进行远程闭环控 制、远程监控及生产报警等多种功能。从而准确、快速、高效的实现联合站的自动 化运行管理。该系统的建立，使管理人员能够更及时地了解整个联合站的生产状况， 方便生产调度；同时通过分析现场数据，帮助管理人员做出更加快速准确的决策； 而且可以把现场数据发布到i n t c r ：n e t ，方便远程监控。此外，系统应具有操作简单、 界面直观生动，可维护性和可扩展性高等优点。 针对联合站研制开发的生产过程实时监控系统，实现对旧有的生产操作模式的 改造，即实现生产监控与信息管理的集成，从而促进联合站生产自动化和管理信息 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 化。该系统能大大提高设备管理水平，节能降耗，自动优化运行，将取得明显的经 济效益。本系统不仅适合于油田联合站，推而广之对大部分的工业企业都有普遍的 意义。 1 3 分布式监控系统国内外研究现状 上世纪7 0 年代工业的发展使生产过程日益复杂，规模更加扩大，在生产中采用 传统的计算机集中控制系统，计算机一旦出现故障，就会使整个系统瘫痪、生产停 产的严重事故，其可靠性、稳定性较差。为提高系统的可靠性和稳定性，满足生产 过程控制中分散风险的要求，集散型控制系统( d c s ) 进入了自动化控制领域。d c s 既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，而是克服了二者的缺 陷并集中了二者的优势。d c s 自1 9 7 5 年问世以来，受到微电子及计算机技术、信号 处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、c r l 技术、图形显示技术及人机接口技 术相互渗透多重作用下，虽然系统的体系结构没有发生重大改变，但是经过不断的 发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高【”。 分布式监控系统( d c s ) 已经成为工业过程控制、管理和决策的核心，其应用 非常广泛。d c s 的出现符合现代工业向大型化、集成化方向发展的需要，对工业自 动化的发展起了革命性的推动作用，是控制技术发展的里程碑【2 】。目前，国际上比 较著名的d c s 生产厂商有h o n e y w e l l 公司、福克斯波罗公司、贝利公司、西门子公 司、日本横河公司、西屋公司、摩尔公司等。这些公司大多在中国大陆都有分公司 或代理商。在我国各行业中投入使用的d c s 系统大多为这些公司的产品。 d c s 从诞生到现在，大致经历了以下几个发展阶段： ( 1 ) 第一代d c s ：具有分散控制、集中管理的过程控制、操作管理和数据通信三 大主要功能，以h o n e y w e l l 公司1 9 7 5 年推出的t d c 2 0 0 0 等为代表。 ( 2 ) 第二代d c s ：第二代d c s 产品的主要特点是比第一代d c s 功能增强，包括 控制算法，实现常规控制、逻辑控制、批量控制的结合，即混合控制。管理范围扩 大，功能增加。通信方式为总线式和环式，并支持局域网协议。以t d c 3 0 0 0 等为 代表。 ( 3 ) 第三代d c s ；主要是在局域网技术上实现1 0 m b p s 的宽带网和5 m b p s 的载带 网，并符合o s i ( 开放互联参考模型) 标准。另外，还增加了自适应和自整定等控 制算法。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 第四代d c s ；第四代d c s 产品的主要标志是集成化、开放化、信息化。其 体系结构更为完整，包括四个层次：现场仪表层、控制装置单元层、工厂( 车间) 层和企业管理层。 d c s 技术在上世纪八十年代进入中国市场，截至2 0 0 1 年底，我国各行业共计 应用d c s4 2 0 0 余套【3 4 】。d c s 己广泛应用于电力、石油、化工、冶金、建材、制 药等行业的生产过程中。各行业应用的实践证明了d c s 是可靠的、稳定的、精确 的【5 1 。由于d c s 基本上采用一对一连线，4 2 0m a 模拟信号进行传输监测和控制， 致使设备与设备之间、系统与系统之间、系统与外界之间无法进行信息交流，在一 定程度上成为“信息孤岛”；4 - 2 0 m a 信号可靠性，抗干扰性不如数字信号；同时， d c s 标准制定也相对落后，d c s 厂家提供的系统大多是非标准的和封闭的，在提 高局部生产过程控制水平的同时，又限制了交流和通用性，制约了全局生产潜力的 充分发掘1 6 , 7 。随着上世9 0 年代现场总线技术的重大突破，出现了现场总线控制系 统( f i d d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) i s , g 。f c s 能很好的解决d c s 中现场控制分散 性差、传统仪表状态失控等问题，大大促进了d c s 的发展。 目前，d c s 正向集成化、开放化、信息化发展【1 0 1 。近几年来p a c ( p r o g r a m m a b l e a u t o m a t i o nc o n 廿o l l e r ) 技术是工业自动化领域研究的热点之一，是一种新型的控制 技术。p a c 与p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 相比，具有开放的体系结构和优 越的互操作性、灵活性；与p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 相比，又具有更高的稳定性和更 好的实时性，因此能更好地满足现代工业自动化的要求，是工业过程控制领域热门 技术。p a c 技术在网络通讯、高级控制、机器视觉及网络安全方面较传统的d c s 和p l c 更具有优越性。p a c 的出现将提高过程控制系统的灵活性、开放性和整体性 能。 p a c 可使客户无需像p l c 那样重新设计整个系统，就可不断获得递升的系统性 能。在p a c 操作系统上设计了一个通用、适合于多平台( 包括硬件平台和操作系统 平台) ，便于移植用户应用程序，轻便的控制引擎，这样保证使用p a c 系统的用户 可使其编制的应用程序获得较大应用收益，且还能不断优化其自动化平台。 p a c 仅仅出现几年的时间，然而却获得自动化业界的广泛关注，在我国钢铁、 电厂、化工等行业中，很多新建的工业自动化项目都对p a c 技术进行了试点运用， 取得了较好的应用效果。可以预见，在不久的将来p a c 技术必将获得广泛的应用。 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 4 论文的主要内容 本文分析总结了d c s 、现场总线存在的问题，将以太网、p a c 技术应用集成 在传统的d c s 系统中。同时对分布式监控软件技术进行了研究，提出一种基于组 件的组态扩展技术，在此基础上实现了基于w e b 的远程监控。针对胜利油田坨四 联合站生产的实际情况，提出生产过程的自动化改造，通过对坨四站工艺流程进行 了详细分析，结合工程实践，与课题组成员一起开发了一套基于p a c 的分布式监 控系统。研究的主要内容是： ( 1 ) 论证了d c s 、f c s 、e t h e r n e t 、p a c 各自特点，分析了当前的发展形势，提出 一种基于p a c 的分布式监控系统，系统弥补了传统d c s 在数据管理方面的不足。 并结合胜利采油厂生产工艺及技术要求进行了坨四站分布式监控系统的总体设计 及硬件设计，所设计的分布式监控系统为三层分布式结构，将p a c 技术运用在原 油集输生产过程监控系统中。 ( 2 ) 研究分析了现有组态软件的特点，结合组件技术，提出一种基于组件的组态 扩展技术，从而使分布式监控软件的开发成本和可维护性大大降低，系统的安全性 和可扩展性得到极大的提高。 ( 3 ) 坨四站分布式监控系统的软件实现。运用p a c 软件开发包实现软件的组态， 开发了p a c 控制策略、原油及污水工艺过程监控、手工录入及远程监控等模块。 对p a c 软件开发包进行了二次开发，实现上位机应用程序与现场数据的实时同步。 ( 4 ) 为便于管理者的决策，开发了基于w e b 的远程监控系统，使生产数据在 i n t e m e t i n t r a n e t 上实时发布，实现了生产过程实时信息的远程监控和管理。同时将 系统的实时和历史数据上传至胜利油田生产集输数据库中，从而实现了联合站自动 监控系统与胜利油田的生产管理系统的无缝连接。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章基于p a c 的分布式监控系统 2 1d c s 技术及其存在的问题 d c s 作为一种控制系统结构形式，其核心思想是分散采集控制，集中监视管理。 图2 1 所示为一个d c s 的典型结构框图。 | 腓站i 卜站ll l ii 一 j lli 一 卜站j卜站 ll 。 i lil 过程控制站过程控制站i o 采集站 现 ；j j 一j 图2 1d c s 的分层结构 从系统结构分析，分布式控制系统一般都包括三大基本部分【n 】，它们是分散 过程控制装置、集中操作管理系统以及通信系统。 ( 1 ) 分散过程控制装置。分散过程控制装置是集散控制系统与生产过程间的 界面，生产过程的各种过程变量通过分散过程装置转化为操作监视的数据，而操作 的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。分散过程控制装置一般由多回 路控制器、单回路控制器、多功能控制器、p l c 以及数据采集等装置组成。在分 散过程控制装置内，进行d a 、a d 之间的转换，完成控制算法的各种运算。 ( 2 ) 集中操作管理系统。集中操作管理系统提供了操作人员与集散控制系统 问的界面。操作人员通过操作管理系统了解生产过程的运行状况，并通过它发出操 作指令给生产过程。生产过程的各种参数在操作管理系统上显示，以便于操作人员 监视和操作。 ( 3 ) 通信系统。用于在分散过程控制装置与操作管理系统之间完成数据信息 5 胥岛理工大学工学硕士学位论文 的传递和交换。集散控制系统通过系统网络及相应的软件，实现系统功能的分散处 理，对象的分解以及集中与分散相结合的人机交互。 从结构上看，集散控制系统具有较强的分散功能，各个局部系统都能独立工作， 各局部与系统之间的信息，通过高速数据总线或局域网络进行通信。从控制系统的 功能上看，集散控制系统一般都表现出递阶控制与分布式控制的思想，即整个系统 分为优化控制管理级和过程控制级。在过程控制级中，可以实现平稳操作的目标； 在优化控制管理级中，可以进行分解、协调、优化以及管理等工作。 总体而言，集散控制系统具有以下几个特点 1 2 , 1 3 1 ： ( 1 ) 自主性，灵活性和可扩充性：系统上各工作站是通过网络接口连接起来 的，各工作站独立自主地完成自己的任务，硬件和软件采用开放式，标准化设计， 系统积木式结构，具有灵活的配置可适应不同用户的需要。 ( 2 ) 在线性与实时性：通过人机接口和f o 接口，对过程对象的数据进行实时 采集、分析、记录、监视、操作控制，可进行系统结构、组态回路的在线修改、局 部故障的在线维修。 ( 3 ) 友好性：d c s 软件面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人 员，采用实用而简捷的人机会话系统，c r t 高分辨率交互图形显示，复合窗口技术， 画面丰富，纵观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、批量控制、计量报表、 操作指导画面、菜单功能等均具有实时性，界面友好协调。 ( 4 ) 高可靠性：高可靠性是d c s 的生命力所在，从结构上采用容错设计，使 得在任一个单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或管理失 效，局部站仍能维持工作。从硬件上包括操作站、控制站、通讯链路都采用双重化 配置。从软件上采用分段与模块化设计，积木式结构，采用程序卷回或指令复执的 容错设计。 d c s 虽然有上述优点，是一项比较成熟的工程技术，但随着时代的进步，各 种新技术的推陈出新，人们对d c s 的要求也日益苛刻，所以今天的d c s 仍然存在 以下几点不足： ( 1 ) 系统接线工作特别繁重，因为每个现场设备都需要用线缆连接至控制室， 所以为以后的查线、维护带来许多不便。 ( 2 ) d c s 标准制定相对落后，不同厂家生产的d c s 软硬件产品不能互换， 在通信方面基本上仍属于按照各制造厂特定的通信协议工作，这给系统的集成带来 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 很大困难。 ( 3 ) 智能前端设备技术的发展使得控制器越来越接近现场，而d c s 网络通常 只延伸到过程管理级，即现场控制层前端的f o 单元，f o 单元与现场设备之间的 联系主要由一对一的4 2 0 m a 电流环通信电缆实现，限制了智能前端的应用。 ( 4 ) 由于d c s 基本上采用一对一连线，4 2 0m a 模拟信号进行传输监测和 控制，致使设备与设备之间、系统与系统之间、系统与外界之问无法进行信息交流， 在一定程度上成为“信息孤岛” 这样就大大制约了d c s 功能的进一步发挥，从而导致了一场新的技术革命， 现场总线技术应运而生。 2 2 现场总线技术及其存在的问题 现场总线是一种应用于现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之问实行 双向、串行、多节点通信的通信网络 1 4 , 1 5 。多节点指的是现场设备或仪表装置，如 传感器、变送器、执行器和现场智能f o 等等，它们不是传统的接收或传送信号的 现场仪表，而是具有综合功能的智能仪表。简而言之，现场总线是连接智能化的现 场仪表或现场设备的通信网络，并直接在现场总线上组成分散的控制回路，在生产 现场构成分布式自动化系统。基于现场总线的控制系统就是f c s ，它是现场总线技 术的应用与拓展。 现场总线克服了d c s 系统中通信由封闭的专用网络系统所产生的缺陷，把基 于封闭专用的解决方案变成基于公开标准化的解决方案：同时把集中与分散相结合 的d c s 集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场， 依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。现场总线不但具有d c s 的基本特点， 而且还有其自身特点如下【16 1 7 】： ( 1 ) 开放性和可互操作性。开放性是指它可以与世界上任何一个遵守现场总 线相同标准的设备或系统连接，开放是指通信协议的公开。开放性意味f c s 将打 破d c s 大型厂家的垄断，给中小企业发展带来了平等竞争的机遇。产品的互操作 性满足了用户对不同制造商产品互换的要求，满足了在现场总线上自由集成不同制 造商产品的要求。 ( 2 ) 彻底的分散性。彻底的分散性意味着系统具有较高的灵活性，系统很容易 进行重组和扩建，且易于维护。现场总线仪表具有信号输入和输出、运算和控制功 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 能，并有相应的功能块，利用现场总线仪表的互操作性，不同仪表内的功能块可以 统一组态，构成所需的控制回路，即在生产现场直接构成多个分散的控制回路，实 现了彻底的分散控制。 ( 3 ) 低成本。相对d c s 而言，f c s 开放的体系结构和o e m 技术将大大缩短开 发周期，降低开发成本，且彻底分散的分布式结构将1 对l 模拟信号传输方式变为 1 对n 的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的a d 、d a 转换装 置、布线安装成本和维护费用。从总体上说，f c s 的成本低于d c s 的成本。 ( 4 ) 环境的适应性。f c s 的基础是现场总线及其仪表。由于它们直接安装在生 产现场，工作环境恶劣，对于易燃易爆场所，还必须保证总线供电的本质安全。现 场总线仪表是专为这样的恶劣环境和苛刻要求而设计的，采用高性能的集成电路芯 片和专用的微处理器，具有较强的抗干扰能力，并可满足本质安全防爆要求。 f c s 的每个现场装置到接线盒的双绞线仍然使用，但是从现场接线盒到中央控 制室仅用一对双绞线完成数字通信。f c s 较d c s 的结构对比如图2 2 所示。 d c s 结构 一一一： 控制室 图2 - 2d c s 与f c s 的结构 f c s 结构 线 f c s 由于采用了现场总线技术，在开放性、控制分散等方面优于传统的d c s 。 但现场总线也有其明显的不足之处，主要表现在以下3 点； ( 1 ) 现场总线没有单一的国际标准 t 8 , 1 9 】 各类现场总线制定了各自不同的体系结构和标准。而经过1 4 年的纷争，2 0 0 0 年初8 种现场总线成为i e c 现场总线国际标准子集。这一结果令人失望，也违背了制 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 定世界上单一现场总线标准的初衷。现场总线真正实现开放性任重而道远。在这种 情况下，多种现场总线并存，共存于一个系统己成为不争的事实。 ( 2 ) 现场总线的系统开发困难，开放性有一定的局限性 f f ，l o nw o r k s ，c a n 等现场总线均有自己的协议，要构成一个控制系统，必须 采用相应的开发工具、平台、软件包。这需要较昂贵的代价，往往只有开发商、研 究机构才能有这类开发工具，一般用户则无能为力。这说明现场总线的开放性仍有 一定的局限性。 ( 3 ) 在某些场合中，f c s 还无法提供d c s 己有的控制功能 由于软硬件水平的限制，其功能块的功能还不是很强，品种也不够齐全；用现 场仪表还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等，对于复杂的、先 进的控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出的情况缺乏好 的解决方案。 2 3 改进以太网技术 以太网是最早的局域网，也是目前应用最广泛、最具有代表性的局域网【2 0 0 1 捌。 上世纪9 0 年代中期，当现场总线大战正浓时，传统上用于办公室和商业的以太网开 始逐渐进入工业控制领域。近年来以太网更是走向前台，发展迅速，究其原因，是 由于工业自动化系统不断向分散化、智能化的实时控制方面发展，其中，通信己成 为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切；另一方面，i n t r a n e t i n t e m e t 等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集 成，并提供一个开放的基础构架，但目前的现场总线尚不能满足这些要求。 与d c s 及各种现场总线相比，工业以太网有以下优点1 2 3 , 2 4 , 2 f i ： ( 1 ) 开放性好 基于t c p i p 协议的以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容易互 联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题。以 太网是目前应用最广泛的局域网技术，遵循国际标准规范i e c i s 0 8 0 2 3 ，受到广泛 的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如j a v a , v i s u a lc + + v i s u a lb a s i c 等。采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具和平台供选择。 ( 2 ) 数据传输率很高 以太网支持的数据传输速率包括1 0 m b p s ，1 0 0 m b p s 和1 g b p s ，比目前任何一种 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 现场总线都快；以太网从扁平的总线共享模式发展到结构化的交换模式后，任意终 端之间的通信通过交换机实现透明的转发，由于每个端口都是独立的冲突域 ( c o l l i s i o nd o m a i n ) ，不存在信道共享引起的竞争问题，系统的通信容量成倍增加。 相同通信量的条件下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而网络负荷的减轻 则意味着提高确定性。 ( 3 ) 资源共享能力强 随着i n t e m e t i n t r a n e t 的发展，以太网已经渗透到各个角落，网络上的用户，无 论处于什么地方，也无论资源的物理位置在哪里，都能使用网络中的程序、设备和 数据，以太网与i n t e m e t 、电话网等资源共享成为一种潮流。也就是说，由于使用 相同的标准协议，用户使用千里之外的数据就象是使用本地数据一样，它解除了资 源“地理位置上的束缚”。以太网这种强大的资源共享能力是目前其他任何一种现 场总线都是无法比拟的。 ( 4 ) 支持多种的物理介质和拓扑结构 以太网支持多种传输介质，包括同轴电缆、双绞线、光缆、无线等，使用户可 根据带宽、距离、价格等因素作多种选择。以太网支持总线型和星型拓扑结构，可 扩展性强，同时可采用多种冗余连接方式，提高网络的性能。 ( 5 ) 成本和费用低廉 由于以太网的应用最为广泛，它也受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛 支持，因此可以有多种硬件产品供用户选择，而且硬件价格也相对低廉，目前以太 网网卡的价格中只有p r o f i b u s ，f f ，c a n 等现场总线的十分之一，并且会随着集成 电路技术的发展，其价格也会进一步下降。 尽管具备以上的诸多优点，但作为传统上用于商业和通信的局域网络，以太网 引入工业控制网络时仍有一些比较突出的问题，主要是以太网的不确定性、实时性、 可靠性及安全性等问题，为此本文从以下几个方面考虑，从而解决以太网用于分布 式控制系统的几个突出问题： l 、实时性问题【2 6 0 7 】 由于以太网采用多址访问c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o nd e t e c t i o n ，带冲突检测的载波侦听多路访问协议) 碰撞检测方式，由于以 太网采用带冲突检测的载波监听多路访问的媒体访问控制方式，一条总线上挂接的 多个节点采用平等竞争的方式争用总线。网络负荷较大时，网络传输的不确定性不 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 能满足工业控制的实时要求。针对以太网的非确定性，本文采用下面的方法来提高 网络的实时性： 1 ) 采用星型网络拓扑结构代替线性结构。使用网桥或路由器等设备将网络分 成多个网段( s e g e m e n t ) 。在每个网段上，以一个多口集线器为中心，将若干个节点 或设备连接起来。这样，挂接在同一网段上的所有设备形成一个冲突域( c o l l i s i o n d o m a i n ) ，每个冲突域均采用c s m a c d 机制来管理网络冲突，这种分段方式可以 使每个冲突域的网络负载和碰撞几率大大减少。 2 ) 采用高速以太网。理论上，在相同通信量的条件下，提高通信速率可以减 少通信信号占用传输介质的时间，从而减小冲突的产生概率，减轻非确定性问题对 网络的影响。在本系统中我们在骨干网上采用1 0 0 0 m 光缆，在第二层采用1 0 0 m 高速以太网，减小冲突的发生。 3 ) 降低网络负载。据测试，在典型的工业应用中，其峰值负载在5 0 0 k 左右， 相当于1 0 me t h e m e t 的5 ，或1 0 0 me t h e r n e t 的0 5 ，而e t h e r n e t 只有当负载达 4 0 以上时才会有明显的延迟现象。实际应用应验表明，对于共享式以太网来说， 当通信负荷在2 5 以下时，可保证通信畅通，当通信负荷在5 左右时，网络上碰 撞的概率几乎为零。在本系统中，尽量减少每个节点传送的实时数据的数量，另外 通过限制每个网段站点的数目，降低网络负载。 2 、可用性问题 所谓网络可用性，亦可称为网络生存性，是指系统中，任何一个组件发生故障， 都不应导致操作系统、网络、控制器和应用程序以至于整个系统的瘫痪。它包括可 靠性、可恢复性等几个方面的内容。对此我们采取两方面的措施：一是进行冗余设 计，增强系统的可靠性；二是提供对系统数据库数据的及时备份机制，增强系统的 可恢复性。 3 ，网络安全问题 对于工业以太网，安全问题需要考虑来自外部和内部两个方面的因素。对外部 主要是防范外部网络的恶意攻击，限制外部网络非信任终端对内部网络资源的访 问；对内部主要是防止来自内部网络的攻击和对控制域资源的非授权访问。为此， 我们采用网络隔离的办法，将内部控制网络与外部网络系统分开。外部网络系统和 内部控制网络系统的隔离通过具有过滤功能的交换机来实现。另外，设置了防火墙， 防止了网络的恶意攻击。 l l 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 4p a c 技术的特点及优势 自从a r cg r o u p 提出p a c 这个概念以来，作为近年来自动化行业最为重要的 发展趋势之一，p a c 受到了自动化业界及终端用户的广泛关注 2 8 1 。p a c 这个概念 的提出是针对p l c 的概念而来，作为一种快速可靠的解决方案，p l c 的设计满足 了工厂对于使用环境和可靠性的要求，而且其编程方式也非常适合机电工程师的思 维习惯。故自上世纪7 0 年代问世以来，p l c 在自动化控制系统领域独领风骚已经 有三十多年的历史了。目前的p l c 已经不仅限于在逻辑控制的应用，一些新一代 的大中型p l c 已经具备了比较强大的浮点数据运算能力和较为丰富完备的通讯介 面，可以完成今日的系统化与复杂化的自动控制技术。但是受限于传统p l c 专属 式的设计，其互操作性和灵活性很差( 即使是对于同一品牌的p l c 来说，也是这 样) ，并不能完全满足用户的要求，主要存在以下几点原因； ( 1 ) 传统的p l c 均不能提供主动的事件通知，系统的集中监视管理有赖于服 务器主机的主动定时查询，同时因为在实时信息上的欠缺，要实现跨p l c 的事件 处理比较困难，且速度延迟，效果不佳。 ( 2 ) 系统的建构由于采用了不同供应商的多种平台，为整合各种不同的专用 总线，系统之衔接有赖于第三方提供的o p cs e r v e r 或g a t e w a y ，故其实施比较困 难。 ( 3 ) 系统升级将必须付出重新设计的成本和时间，其不可预见成本太高。梯 形图程序的设计是基于个案进行，每一专案均无法完全复制应用，无法实现标准化， 从而工程设计费用无法降低。 ( 4 ) 由于受硬件的约束，特别是c p u 和内存技术指标的影响，p l c 处理大量 实时数据时显得不足，且运行速度比较慢。 ( 5 ) p l c 提供的通讯接口非常有限，除了4 8 5 总线，如果想增加以太网接口 或者现场总线通讯接口，还必须外加模块，成本比较高，而且可靠性和稳定性得不 到很好的保证。 ( 6 ) 若要修改p l c 构成的控制系统的软件，工作量极其庞大，首先需要确定 所要编辑更新的是哪个p l c ，然后要用与之对应的编译器进行程序编译，最后再 用专用的机器( 读写器) 专门一对一的将程序传送给这个p l c ，在系统调试期间， 大量增加调试时间和调试成本，而且极其不利于日后的维护。在控制精度上相差甚 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 远。这就决定了为什么在大中型控制项目中( 5 0 0 点以上) ，基本不采用全部由p l c 所连接而成的系统的原因。 p l c 从诞生到现在，走过了大约4 0 年历程，尽管存在很多缺点，但目前在实 际应用中占有相当大的比例，主要原因有以下几点：约8 0 的p l c 用于小型应用 系统( 1 到1 2 8 的) ；约8 0 的p l c 的i o 是数字的；约8 0 的应用闯题可由2 0 条梯形逻辑指令来解决。所以这就是为什么还使用原始的a m d2 9 0 1c p u 以及为 什么像k v y e n c e 这样的公司还提供梯形逻辑编程方式。尽管8 0 0 的应用使用简单 的数字和模拟控制，如果要开发其余的2 0 0 的应用就必须突破p l c 的限制。2 0 世 纪9 0 年代，随着计算机技术的不断提高与发展，p c - b a s e d 控制系统进入工业控制 领域，从而得到无比灵活和使用高效的软件和高级硬件。p c - b a s e dm 业控制系统 的软件功能及其灵活性比p l c 要强很多，同时其c p u 、r a m 的性能更好，功能更 强大。p c - b a s e d 工业控制系统给p l c 控制系统起到了很好的补充作用，给用户带 来了更多的选择。在许多工程应用中，p c - b a s e d 的控制系统已能实现原来p l c 的 控制功能。并具有更强的数据处理能力、强大的网络通讯功能以及能够执行比较复 杂的控制算法和近乎无限制的存储容量优势。但它也有几个缺点也不容忽视： ( 1 ) 稳定性通用的操作系统常常不够稳定并且生产线会受到系统崩溃和无 法预料的重启的影响。 ( 2 ) 可靠性由于磁性硬盘的旋转和有电源这样的坚固程度不到工业标准的 部件，p c 容易发生故障。 由于p c - b a s e d 或p l c 解决方案都不是很全面，对于复杂的应用工程师常常要和 生产厂商密切合作来开发出新产品。这些重要的用户要求产品能结合高级的功能和 可靠性，并且他们为p l c 和p c 控制公司如r o c k w e l l ，s i o n c n s ，g ef a n u c 和n i 提供 开发产品的指导。由此而开发出的新控制器p a c 是为解决2 0 应用而设计的，它把 p l c 和p c 的特性最佳地结合在一起( 如图2 3 所示) 。工业分析家a r c 称这些设备为 可编程自动控制器或p a c 2 9 ，该控制器有一个轻便的控制引擎作为支持，并且提供 了多种功能的开发工具。 。 p a c 控制器结合了p c 的处理器、r a m 和软件的优势，以及p l c 所固有的可靠 性、坚固性和分布特性。基于p a c 的过程控制系统代表了工业领域的革命，它的意 义在于控制的集中管理，而不是将各种部件进行简单的集成。它为用户提供了一个 更强大的软硬加平台。 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 3p a c 的功能示恿图 虽然从外形上来看，p a c 与传统的p l c 非常相似，但究其实质，p a c 系统的 性能却广泛得多。作为一种多功能一体化的控制平台，其中包括多种技术和产品， 而且这些技术和产品可以任意混合，互相兼容和实现。用户可以根据系统的需要， 组合和搭配相关的技术和产品以实现功能的侧重，因为基于同一发展平台进行开 发，所以采用p a c 系统保证了控制系统各功能模块具有统一性，而不仅仅是一个 完全无关的部件拼凑成的集合体。反之，p l c 具有的专有结构，只能按照制造商 的想法安装必要的模块。 综合起来分析，p a c 系统应该具备以下一些主要的特征 3 0 l ( 如图2 4 所示) ： ( 1 ) 一个轻便的控制引擎，可以实现多领域的功能，包括：逻辑控制、过程控 制、运动控制和人机界面等；尤其是对模拟量的处理能力强大，速度快，成本低， 通道多。 ( 2 提供通用发展平台和单一数据库，以满足多领域自动化系统设计和继承的 通用开发平台。 ( 3 ) 采用开放的模块化的硬件架构以实现不同功能的自由组合与搭配，减少系 统升级带来的开销，支持i e c 6 1 1 5 8 现场总线规范，可以实现基于现场总线的高度 分散性的工厂自动化环境。 ( 4 ) 采用已有的网络接口、语言等，如t c p i p ，o p c ，x m l 和s q l 查询。能 和企业的网络通信对于现代化的控制系统是非常关键的。尽管p a c 包含有以太网 接口，但是为了要把工厂其它系统无故障地集成在一起，通信软件是至关重要的。 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 5 ) 允许用户根据系统实施的要求在同一平台上运行多个不同功能的应用程序， 并根据控制系统的设计要求，在各程序间进行系统资源的分配，同时系统运行可靠、 功能强大。 图2 - 4p a c 特征性能示意图 在工业过程行业应用中，强大的通信能力是很重要的，而p a c 所具有的p c 特 性在通信方面优势明显。与p c 类似，p a c 很容易实现联网，而且很多还具有内置 的w e b 服务器，通过e t h e r n e ti p 或者o p c 可以很快地实现与现有d c s s c a d a 系统 的集成。在与其他一些工业设备( 如p l c ) 进行通信时，p a c 的这种固有的开放性将 让工程师们不再受限于某种特殊的工业网络或工业协议。p a c 与其他p l c 进行通讯 的方式很多，包括直接数字传输、串行通信、e t h e m e tt c p i p 与现有工业网络( 如 p r o f i b u s 、m o d b u s ) 之间的转换网关。这样，对于需要进行数据采集和记录跟踪的应 用而言，就很容易实现对网络数据库的访问。此外，p a c 通过以太网发送的数据包 是可以加密的，能够有效阻止网络黑客的入侵，网络安全性较高。 2 5 基于p a c 技术的分布式监控系统的方案 根据以上论述，将以太网技术、p a c 技术、d c s 及现场总线进行结合，建立 一种基于p a c 的分布式监控系统。在主干网和过程控制网基于以太网通信标准协 议，在现场监控网中采用目前流行的现场总线和d c s 一对一的数据网