（电力系统及其自动化专业论文）基于ip协议的变电站绝缘信息传输系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 控制网络技术慨述 计算机网络技术的迅速发展和广泛应用正在改变人们的工作方 式与生活方式，并进一步引起世界范围产业结构的变化，促进全球 信息化的发展，在经济、文化、科技、军事、政治、教育和社会生 活的各个领域内发挥着越来越重要的作用。 网络技术的发展，也引发了工业控制领域的深刻技术变革，控 制网络技术已成为自动化领域技术发展的热点。国外有公司已经提 出了“网络就是自动化”的口号( t h e n e t i s t h e a u t o m a t i o n ) 1 1 1 。 控制网络一般指以控制“事物对象”为特性的计算机网络系统， 在工业自动化领域，“事物对象”指的就是现场设备，如传感器、变 送器、变换器、i 0 模块、阀门、单环控制器等。目前控制网络正向 体系结构的开放性方向发展1 2 j 。 1 1 1 企业信息化与自动化的层次模型 企业信息化与自动化自上而下可分为三层：信息化层、自动化 层和设备层1 3 1 。 ( 1 ) 设备层 设备层中的设备种类繁多，有传感器、启动器、驱动器、i 0 部 件、变送器、变换器、阀门等。设备的多样性要求设备层满足开放 性要求，各厂商遵循公认的标准，保证产品满足标准化；来自不同 厂家的设备可以用相同功能的同类设备互换，实现可互换性；来自 不同厂家的设备可以相互通信，并且可以在多厂家的环境中完成功 能，实现可互操作性。 ( 2 ) 自动化层 自动化层实现控制系统的网络化，控制网络遵循开放的体系结构 与协议。自动化层的开放性应满足：对设备层的开放性，允许符合 开放标准的设备方便地接入；对信息化层的开放性，允许与信息化 层互联、互通、互操作。 控制网络的出现与发展为实现自动化层开放性策略打下了良好 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 控制网络技术慨述 计算机网络技术的迅速发展和广泛应用正在改变人们的工作方 式与生活方式，并进一步引起世界范围产业结构的变化，促进全球 信息化的发展，在经济、文化、科技、军事、政治、教育和社会生 活的各个领域内发挥着越来越重要的作用。 网络技术的发展，也引发了工业控制领域的深刻技术变革，控 制网络技术已成为自动化领域技术发展的热点。国外有公司已经提 出了“网络就是自动化”的口号( t h e n e t i s t h e a u t o m a t i o n ) 1 1 1 。 控制网络一般指以控制“事物对象”为特性的计算机网络系统， 在工业自动化领域，“事物对象”指的就是现场设备，如传感器、变 送器、变换器、i 0 模块、阀门、单环控制器等。目前控制网络正向 体系结构的开放性方向发展1 2 j 。 1 1 1 企业信息化与自动化的层次模型 企业信息化与自动化自上而下可分为三层：信息化层、自动化 层和设备层1 3 1 。 ( 1 ) 设备层 设备层中的设备种类繁多，有传感器、启动器、驱动器、i 0 部 件、变送器、变换器、阀门等。设备的多样性要求设备层满足开放 性要求，各厂商遵循公认的标准，保证产品满足标准化；来自不同 厂家的设备可以用相同功能的同类设备互换，实现可互换性；来自 不同厂家的设备可以相互通信，并且可以在多厂家的环境中完成功 能，实现可互操作性。 ( 2 ) 自动化层 自动化层实现控制系统的网络化，控制网络遵循开放的体系结构 与协议。自动化层的开放性应满足：对设备层的开放性，允许符合 开放标准的设备方便地接入；对信息化层的开放性，允许与信息化 层互联、互通、互操作。 控制网络的出现与发展为实现自动化层开放性策略打下了良好 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的基础。 ( 3 ) 信息化层 信息化层己较好地实现了开放性策略，各类局域网均遵循 i e e e 8 0 2 标准，信息网络的互联使用统一的t c p i p 协议。信息网络 的开放性为实现控制网络与信息网络的集成提供了有力的支持。 企业内部管理采用i n t r a n e t 技术，并且和i n t e r n e t 连接，生产过 程检测、控制由各种现场智能单元组成现场控制网络( i n f r a n e t ) 。这 种i n t e r n e t i n t r a n e t i n f r a n e t 企业信息网络结构使得生产现场的运行 数据能够方便地提供给各级相关人员，为科学管理、安全运行和有 效维护提供了基础。 1 1 2 控制网络与信息网络的区别 控制网络技术源于计算机网络技术，与一般的信息网络有很多 共同点，但又有不同之处和独特的地方。 控制网络与信息网络具体不同如下： ( 1 ) 控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制 系统最基本的要求。一般来说，过程控制系统的响应时间要求为 0 0 1 0 5 s ，制造自动化系统的响应时间要求为o 5 2 o s ，而信息网络 的响应时间要求为2 0 6 0 s ，信息网络在大部分情况下实时性是可以 忽略的。 ( 2 ) 控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。 控制网络应具有在高温、潮湿、振动、腐蚀，特别是电磁干扰等工 业环境中长时间、连续、可靠地传送数据的能力，并能抗工业电网 的浪涌、跌落和尖峰干扰。在可燃和易爆场合，控制网络还应具有 本质安全性能。 ( 3 ) 在企业自动化系统中，由于分散的单一用户要借助控制网 络进入某个系统，通信方式多使用广播或组播方式；在信息网络中 某个自主系统与另一个自主系统一般都建立一对一通信方式。 1 1 3 控制网络与信息网络的集成 目前，企业网络一般包括处理企业管理与决策信息的信息网络 和处理企业现场实时测控信息的控制网络两部分。信息网络处于企 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的基础。 ( 3 ) 信息化层 信息化层己较好地实现了开放性策略，各类局域网均遵循 i e e e 8 0 2 标准，信息网络的互联使用统一的t c p i p 协议。信息网络 的开放性为实现控制网络与信息网络的集成提供了有力的支持。 企业内部管理采用i n t r a n e t 技术，并且和i n t e r n e t 连接，生产过 程检测、控制由各种现场智能单元组成现场控制网络( i n f r a n e t ) 。这 种i n t e r n e t i n t r a n e t i n f r a n e t 企业信息网络结构使得生产现场的运行 数据能够方便地提供给各级相关人员，为科学管理、安全运行和有 效维护提供了基础。 1 1 2 控制网络与信息网络的区别 控制网络技术源于计算机网络技术，与一般的信息网络有很多 共同点，但又有不同之处和独特的地方。 控制网络与信息网络具体不同如下： ( 1 ) 控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制 系统最基本的要求。一般来说，过程控制系统的响应时间要求为 0 0 1 0 5 s ，制造自动化系统的响应时间要求为o 5 2 o s ，而信息网络 的响应时间要求为2 0 6 0 s ，信息网络在大部分情况下实时性是可以 忽略的。 ( 2 ) 控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。 控制网络应具有在高温、潮湿、振动、腐蚀，特别是电磁干扰等工 业环境中长时间、连续、可靠地传送数据的能力，并能抗工业电网 的浪涌、跌落和尖峰干扰。在可燃和易爆场合，控制网络还应具有 本质安全性能。 ( 3 ) 在企业自动化系统中，由于分散的单一用户要借助控制网 络进入某个系统，通信方式多使用广播或组播方式；在信息网络中 某个自主系统与另一个自主系统一般都建立一对一通信方式。 1 1 3 控制网络与信息网络的集成 目前，企业网络一般包括处理企业管理与决策信息的信息网络 和处理企业现场实时测控信息的控制网络两部分。信息网络处于企 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的基础。 ( 3 ) 信息化层 信息化层己较好地实现了开放性策略，各类局域网均遵循 i e e e 8 0 2 标准，信息网络的互联使用统一的t c p i p 协议。信息网络 的开放性为实现控制网络与信息网络的集成提供了有力的支持。 企业内部管理采用i n t r a n e t 技术，并且和i n t e r n e t 连接，生产过 程检测、控制由各种现场智能单元组成现场控制网络( i n f r a n e t ) 。这 种i n t e r n e t i n t r a n e t i n f r a n e t 企业信息网络结构使得生产现场的运行 数据能够方便地提供给各级相关人员，为科学管理、安全运行和有 效维护提供了基础。 1 1 2 控制网络与信息网络的区别 控制网络技术源于计算机网络技术，与一般的信息网络有很多 共同点，但又有不同之处和独特的地方。 控制网络与信息网络具体不同如下： ( 1 ) 控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制 系统最基本的要求。一般来说，过程控制系统的响应时间要求为 0 0 1 0 5 s ，制造自动化系统的响应时间要求为o 5 2 o s ，而信息网络 的响应时间要求为2 0 6 0 s ，信息网络在大部分情况下实时性是可以 忽略的。 ( 2 ) 控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。 控制网络应具有在高温、潮湿、振动、腐蚀，特别是电磁干扰等工 业环境中长时间、连续、可靠地传送数据的能力，并能抗工业电网 的浪涌、跌落和尖峰干扰。在可燃和易爆场合，控制网络还应具有 本质安全性能。 ( 3 ) 在企业自动化系统中，由于分散的单一用户要借助控制网 络进入某个系统，通信方式多使用广播或组播方式；在信息网络中 某个自主系统与另一个自主系统一般都建立一对一通信方式。 1 1 3 控制网络与信息网络的集成 目前，企业网络一般包括处理企业管理与决策信息的信息网络 和处理企业现场实时测控信息的控制网络两部分。信息网络处于企 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 业中上层，处理大量的、变化的、多样的信息，具有高速、综合的 特征。控制网络主要位于企业中下层，处理实时的、现场的信息， 具有协议简单、容错性强、安全可靠、成本低廉等特征。 1 控制网络与信息网络集成的必要性 控制网络与信息网络的集成将为企业综合自动化与信息化创 造有利的条件： ( 1 ) 实现控制网络与信息网络的信息集成，建立综合实时信 息库，为企业优化控制、生产调度、计划决策提供依据。 ( 2 ) 建立分布式数据库管理功能，保证数据一致性、完整性 和可操作性。 ( 3 ) 实现对控制网络工作的远程监控、优化调度及控制网络 的远程诊断等。 ( 4 ) 实现控制网络的远程软件维护与更新。 2 控制网络与信息网络集成的目标 控制网络与信息网络集成的最终目标是实现管理与控制一体化 的、统一的、集成的企业网络。企业要实现高效率、高效益、高柔 性，必须有一个高效的、统一的企业网络支持。实现集成的、统一 的企业网络已成为企业综合自动化与信息化的努力目标。企业网络 的逻辑集成框架如图l l 所示。 图1 1 企业网络的逻辑集成框架 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 实现控制网络与信息网络的无缝集成，形成一个统一的、集成 的企业网络的基本策略如下： ( 1 ) 将信息网络与自动化层的控制网络统一组网，融为一体，然后 通过网关与设备层控制网络，如现场总线控制网络，进行互联， 从而形成统一的企业网络，如图1 2 所示。 ( 2 ) 各现场设备的控制功能由带网络功能的嵌入式控制器实现，嵌 入式控制器通过网络接口接入控制网络。控制网络与信息网络 统一构建，从而形成集成的企业网络，如图1 3 所示【2 】。 图1 2 通过异构网络互联构建集成的企业网络 网络、 、嵌入式控制器， 、- 、一，_ ，7 图1 3 通过统一控制网络和信息网络构建集成的企业网络 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 控制网络的发展方向及以太网在该领域的新进展 1 2 1 现场总线的特点与现状 现场总线导致了传统控制系统的变革，形成了新一代现场总线控 制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。它把各个分散的测量、控制设 备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通 信息、共同完成控制任务的网络系统与控制系统，把控制功能彻底 下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能，实现 了智能下移到设备的目标。 但现场总线的发展并不如人意，在全开放、全分散以及和办公自 动化的无缝结合等方面仍存在需要解决的问题 4 1 。 l 低速现场总线呈“战国”状态 现场总线系统的技术特点是系统的开放性、互操作性与互用性。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国外发展起来的，已有十多年的 历史。不少国家的自动化公司投入了巨大的人力、物力、财力全方 位地进行技术研究和应用研究，形成了4 0 余种各具特色的现场总线。 其中，f f 、p r o f i b u s 为首的几种主流技术较成熟，市场占有率大，但 这些总线之间的互联互通是当前存在的大问题。标准意味着市场、 意味着利益。为了使自己的技术与产品能占领市场，围绕着现场总 线的国际标准展开了一场技术、经济与政治上的互不相让的激烈斗 争。另外从实际应用上来说，目前存在的4 0 多种现场总线也没有任 何一种能覆盖所有应用面。i e c ( i 虱际电工委员会) 制定i e c 6 1 l 5 8 的 初衷，是将各种总线归纳成一种统一的标准，既方便制造商的统一 生产，又便于用户选用。但历时1 2 年于2 0 0 0 年1 月4 日公布通过 的i e c 6 1 15 8 现场总线标准容纳了8 种互不兼容的协议：f f 的h 1 、 c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、i n t e r b u s 、p n e t 、w o r l d f i p 、s w i f l n e t 、f f 的 高速以太网即h s e 。目前多种现场总线技术标准并存已成定局。这 种“战国”状态阻碍了现场总线沿开放的方向发展。 另外，当前的现场总线产品主要是低速型的，应用于运行速度 较低的领域，现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力都很弱， 主要用于数据采集和控制信号的输出以及实现p i d 控制等简单的控 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 控制网络的发展方向及以太网在该领域的新进展 1 2 1 现场总线的特点与现状 现场总线导致了传统控制系统的变革，形成了新一代现场总线控 制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。它把各个分散的测量、控制设 备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通 信息、共同完成控制任务的网络系统与控制系统，把控制功能彻底 下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能，实现 了智能下移到设备的目标。 但现场总线的发展并不如人意，在全开放、全分散以及和办公自 动化的无缝结合等方面仍存在需要解决的问题 4 1 。 l 低速现场总线呈“战国”状态 现场总线系统的技术特点是系统的开放性、互操作性与互用性。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国外发展起来的，已有十多年的 历史。不少国家的自动化公司投入了巨大的人力、物力、财力全方 位地进行技术研究和应用研究，形成了4 0 余种各具特色的现场总线。 其中，f f 、p r o f i b u s 为首的几种主流技术较成熟，市场占有率大，但 这些总线之间的互联互通是当前存在的大问题。标准意味着市场、 意味着利益。为了使自己的技术与产品能占领市场，围绕着现场总 线的国际标准展开了一场技术、经济与政治上的互不相让的激烈斗 争。另外从实际应用上来说，目前存在的4 0 多种现场总线也没有任 何一种能覆盖所有应用面。i e c ( i 虱际电工委员会) 制定i e c 6 1 l 5 8 的 初衷，是将各种总线归纳成一种统一的标准，既方便制造商的统一 生产，又便于用户选用。但历时1 2 年于2 0 0 0 年1 月4 日公布通过 的i e c 6 1 15 8 现场总线标准容纳了8 种互不兼容的协议：f f 的h 1 、 c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、i n t e r b u s 、p n e t 、w o r l d f i p 、s w i f l n e t 、f f 的 高速以太网即h s e 。目前多种现场总线技术标准并存已成定局。这 种“战国”状态阻碍了现场总线沿开放的方向发展。 另外，当前的现场总线产品主要是低速型的，应用于运行速度 较低的领域，现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力都很弱， 主要用于数据采集和控制信号的输出以及实现p i d 控制等简单的控 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 制算法，而复杂的控制功能如预测控制、系统优化等仍需要集中在 p c 机或工作站上实现，因而并没有实现真f 的全分散。 2 高速现场总线采用以太网 高速现场总线主要应用于控制网内的互联，用于连接控制计算 机、p l c 等智能化程度高，处理速度快的设备，以及实现低速现场 总线网桥间的连接。f f 于2 0 0 0 年3 月宣布将用1 0 0 m b i t s 的高速以 太网来替代其原先的h 2 高速总线的方案。该方案直接采用1 0 0 m b i t s 以太网的物理层、数据链路层协议，可以使用经济的以太网芯片、 集线器、中继器和电缆，不用定制专用的芯片，只需将f f 的h 1 总 线的功能应用于以太网即可。f f 组织了2 0 多个厂家、4 0 多人组成 的工作组，开发现场总线与以太网的连接产品，据称效果超出预期 目标，现已进入编写标准规范阶段。 由于以太网是计算机领域应用最广泛的网络技术，若以以太网 作为高速现场总线框架的主体，可以使现场总线技术和计算机网络 技术的主流技术很好地融合起来，形成现场总线技术和计算机网络 技术相互促进的局面。 3e t h e r n e t f i e l d b u s 的网络结构 企业综合信息系统把企业经营决策、管理、计划、调度、过程 优化、故障诊断、现场总线紧密地联系在一起，将自动控制、办公 自动化、经营管理、市场销售等层次的计算机互联成网络，实现信 息的沟通汇集与数据共享，因而企业网络中的信息是多层次的。上 世纪8 0 年代提出了t o p ，m a p f i e l d b u s 的网络结构形式，该结构从 生产现场的底层开始，可分为现场控制层、过程监控层、生产管理 层、市场经营管理层多个层次，各层之间通过专门的接口，实现相 互沟通与信息交换。 随着因特网的迅速扩大，它所采用的t c p i p 协议成为网络互联 事实上的工业标准，再加上p c 机、工业p c 机逐渐成为企业的主流 机种，使企业网络结构受到因特网连接方式和通信技术的冲击与影 响，在基本相同的功能模式下，网络的结构层次简化了许多。即 t c p i p 通信协议占据了t o p m a p 层通信协议的位置，多层子网的 结构逐渐为统一的以太网所取代。 由于现场总线所处的特殊环境以及所承担的实时控制任务，当 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 时一般的局域网技术难以取代它。加之现场总线对通信量的要求低， 而底层设备量又非常大，采用现场总线比使用局域网更能节约投资， 因而在过去的十几年中，现场总线保持着它在底层控制网络的地位 和作用。 将现场总线通过通信控制器直接挂接到以太网上，是目前许多 企业普遍采用的办法。它虽然比过去的多层次的网络结构简洁得多， 但仍无法实现办公自动化与工业自动化的无缝结合。 1 2 2 以太网进军工业自动化 以太网在工业自动化领域中的应用越来越得到了重视。以太网 在工业自动化领域的应用远不止与现场总线相连接和进入高速现场 总线领域，而是在工业自动化各个层次上全面进军，最终将直接达 到传感器和执行器。 1 以太网从诸多途径进入工业自动化领域 以太网进入工业自动化领域首先是从i o 设备开始的，这类产品 最初用于基于p c 机的开放式控制系统，由于绝大多数商用p c 均提 供以太网接i ：1 ，操作系统也内置t c p i p 协议，使几乎所有i o 供应 商均提供一个支持t c p i p 协议的以太网接口。另外，控制器、p l c 和d c s 厂商也开始提供以太网接口。现场总线及f c s 的高层大都能 与以太网相连接。 2 以太网直接到达现场设备 传统的现场总线均采用单片机作为控制器的核心部件，这样产 品价格便宜，在工业自动化领域大量安装时才有竞争力。目前大量 的现场控制器也是基于单片机的。当t c p i p 协议成为网络互联的工 业标准时，人们自然想把它引入工业控制网络，以实现控制网络和 信息网络的无缝集成。但要在传统8 位1 6 位单片机上用软件实现 t c p i p 协议是十分困难的。 随着集成电路技术的飞速发展，微处理器芯片的性能越来越好， 而体积却越来越小，价格越来越低；再加上计算机软件技术的发展， 嵌入式系统能很好的满足网络应用的需求。 正像当年p c 进入工业自动化领域一样，嵌入式p c 也开始应用 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 时一般的局域网技术难以取代它。加之现场总线对通信量的要求低， 而底层设备量又非常大，采用现场总线比使用局域网更能节约投资， 因而在过去的十几年中，现场总线保持着它在底层控制网络的地位 和作用。 将现场总线通过通信控制器直接挂接到以太网上，是目前许多 企业普遍采用的办法。它虽然比过去的多层次的网络结构简洁得多， 但仍无法实现办公自动化与工业自动化的无缝结合。 1 2 2 以太网进军工业自动化 以太网在工业自动化领域中的应用越来越得到了重视。以太网 在工业自动化领域的应用远不止与现场总线相连接和进入高速现场 总线领域，而是在工业自动化各个层次上全面进军，最终将直接达 到传感器和执行器。 1 以太网从诸多途径进入工业自动化领域 以太网进入工业自动化领域首先是从i o 设备开始的，这类产品 最初用于基于p c 机的开放式控制系统，由于绝大多数商用p c 均提 供以太网接i ：1 ，操作系统也内置t c p i p 协议，使几乎所有i o 供应 商均提供一个支持t c p i p 协议的以太网接口。另外，控制器、p l c 和d c s 厂商也开始提供以太网接口。现场总线及f c s 的高层大都能 与以太网相连接。 2 以太网直接到达现场设备 传统的现场总线均采用单片机作为控制器的核心部件，这样产 品价格便宜，在工业自动化领域大量安装时才有竞争力。目前大量 的现场控制器也是基于单片机的。当t c p i p 协议成为网络互联的工 业标准时，人们自然想把它引入工业控制网络，以实现控制网络和 信息网络的无缝集成。但要在传统8 位1 6 位单片机上用软件实现 t c p i p 协议是十分困难的。 随着集成电路技术的飞速发展，微处理器芯片的性能越来越好， 而体积却越来越小，价格越来越低；再加上计算机软件技术的发展， 嵌入式系统能很好的满足网络应用的需求。 正像当年p c 进入工业自动化领域一样，嵌入式p c 也开始应用 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 于工业现场设备中。要在嵌入式p c 中提供以太网接口，实现t c p i p 协议，不是什么困难的事。这样以太网就可到达现场设备。事实上， 一些机构早就在做这方面的研究，如1 9 9 8 年成立的i n d u s t r i a l a u t o m a t i o no p e nn e t w o r k i n ga l l i a n c e ( i a o n a ) 。该组织致力于分析 在工业自动化领域应用以太网和i n t e r n e t 的协议的障碍，研究可能的 实现方法，并提出相关的标准。一些著名的大公司已利用嵌入式技 术将以太网接口做到变电站的保护装置中。目前国际电工委员会第 5 7 技术组正在制定有关变电站自动化系统的通信网络和系统的国际 标准i e c 6 8 5 0 ，其目的在于使不同厂家的产品具有互操作性，虽然还 未正式公布，但从它的草案来看，是一个分层的网络，主干网络采 用的就是以太网f7 1 。从以太网的发展势头来看，以太网将成为工业自 动化网络的主要接入网络，并且最终将连接大多数现场设备。 3 基于以太网的全开放工业控制网络 采用嵌入式技术使以太网到达现场设备，这使得整个网络的速 度瓶颈集中在应用现场总线的设备层上的问题得以解决，并且使整 个企业网络都可以统一在以太网上。 这个网络的特点是：首先，以太网贯穿于整个网络的各个层次， 它使网络成为透明的、覆盖整个企业范围的应用实体。它实现了办 公自动化与工业自动化的无缝结合，可以称它为扁平化的工业控制 网络，其良好的互连性和可扩展性使之成为一种真正意义上的全开 放的网络体系结构。其次，高性能的工业网络要求更高的带宽，而 以太网是一种成熟的快速网络技术。发展成熟的1 0 0 m 快速以太网以 及千兆以太网使其能够胜任成为整个企业范围的主干网，它能提高 带宽与响应时间。另外，低成本是基于以太网的工业控制网络的无 可比拟的优越性。【4 j f 5 】【6 l 1 3 基于i p 协议的变电站绝缘数据传输网络 电力工业的经营机制正在从行业垄断转向竞争的电力市场，电 力经营机制变革的目标是降低电价，提高供电质量，改善服务，提 高电力企业自身的经济效益。这对电能质量和供电可靠性提出了更 高的要求，相应地，变电站自动化系统也面临着进一步的革新，以 便能更好地为电力企业的运行服务。现代计算机技术、通信技术和 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 于工业现场设备中。要在嵌入式p c 中提供以太网接口，实现t c p i p 协议，不是什么困难的事。这样以太网就可到达现场设备。事实上， 一些机构早就在做这方面的研究，如1 9 9 8 年成立的i n d u s t r i a l a u t o m a t i o no p e nn e t w o r k i n ga l l i a n c e ( i a o n a ) 。该组织致力于分析 在工业自动化领域应用以太网和i n t e r n e t 的协议的障碍，研究可能的 实现方法，并提出相关的标准。一些著名的大公司已利用嵌入式技 术将以太网接口做到变电站的保护装置中。目前国际电工委员会第 5 7 技术组正在制定有关变电站自动化系统的通信网络和系统的国际 标准i e c 6 8 5 0 ，其目的在于使不同厂家的产品具有互操作性，虽然还 未正式公布，但从它的草案来看，是一个分层的网络，主干网络采 用的就是以太网f7 1 。从以太网的发展势头来看，以太网将成为工业自 动化网络的主要接入网络，并且最终将连接大多数现场设备。 3 基于以太网的全开放工业控制网络 采用嵌入式技术使以太网到达现场设备，这使得整个网络的速 度瓶颈集中在应用现场总线的设备层上的问题得以解决，并且使整 个企业网络都可以统一在以太网上。 这个网络的特点是：首先，以太网贯穿于整个网络的各个层次， 它使网络成为透明的、覆盖整个企业范围的应用实体。它实现了办 公自动化与工业自动化的无缝结合，可以称它为扁平化的工业控制 网络，其良好的互连性和可扩展性使之成为一种真正意义上的全开 放的网络体系结构。其次，高性能的工业网络要求更高的带宽，而 以太网是一种成熟的快速网络技术。发展成熟的1 0 0 m 快速以太网以 及千兆以太网使其能够胜任成为整个企业范围的主干网，它能提高 带宽与响应时间。另外，低成本是基于以太网的工业控制网络的无 可比拟的优越性。【4 j f 5 】【6 l 1 3 基于i p 协议的变电站绝缘数据传输网络 电力工业的经营机制正在从行业垄断转向竞争的电力市场，电 力经营机制变革的目标是降低电价，提高供电质量，改善服务，提 高电力企业自身的经济效益。这对电能质量和供电可靠性提出了更 高的要求，相应地，变电站自动化系统也面临着进一步的革新，以 便能更好地为电力企业的运行服务。现代计算机技术、通信技术和 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 网络技术为变电站自动化的技术革新提供了技术基础，未来的变电 站自动化系统将是一个基于计算机网络的高度集成的系统。通讯技 术已成为变电站自动化的关键。【9 】【1 o 儿1 l j 在高压电气设备绝缘监测领域，从现行的计划检修向状态检修 转变，已成为必然趋势【1 2 】。状态检修是种基于高压电气设备绝缘 特性的在线监测技术，根据状态监测结果和设备故障的预先知识来 确定维修工作的内容和时间、制定维修方案。这种方法在保证高压 电气设备安全运行前提下，既有利于提高设备的不停电率，又有利 于节省维修的人力、物力j l 3 j 。 要实现高压电气设备状态维修，首先要能在设备运行时实时采 集设备状态信息并传输到控制中心，然后才能通过综合分析设备的 历史运行、检修及试验状态和连续监测数据来确定检修项目、频度 与检修内容。因此，建立一个实时、稳定、快速的数据传输网络是 十分必要的。 目前变电站无人值班管理正在我国推广，变电站实现无人值班 并且完全由远方操作和监控将是今后的发展方向。在无人值班的情 况下，变电站高压设备的绝缘监测数据必须传输到远方控制中心。 考虑到这一发展趋势，结合控制网络技术，我们在变电站绝缘 监测系统中使用以太网作为底层数据传输网络，使用u d p + i p 协议 来传输数据，如图1 4 所示。 图1 4 变电站绝缘信息传输系统示意图 底层绝缘数据采集装置均带有以太网接口，通过以太网将全变 电站的绝缘数据采集装置和变电站级的服务器连接起来，绝缘数据 采集装置和站级服务器之间使用u d p 作为传输层协议。站级服务器 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 作为变电站和远方控制中心的接口， 制中心，同时接收控制中心的命令， 1 4 本文的研究任务 负责将绝缘数据传送到远方控 来实现对数据采集装置的控制。 本文结合变电站绝缘信息传输系统的歼发，研究了将以太网引 入工业控制领域需要解决的若干技术问题。 论文首先探讨使用以太网作为变电站绝缘信息传输网络的可行 性，并从保证数据传输网络的实时性出发，提出了若干设计原则。 然后从绝缘数据采集装置功能性要求出发，分析了嵌入式实时操作 系统的设计。在此基础之上，对一个嵌入式实时内核g c o s i i 进行 扩展，添加了i p 协议栈，完成了数据采集装置的通信软件。 该系统基于交换式以太网组成信息传输网络，采用p c 1 0 4 模块 构成嵌入式数据采集装置。使用一个开放源代码的嵌入式实时内核 g c o s i i 作为数据采集装置的操作系统平台，对t t c o s 一1 i 进行了扩 展，在它之上实现了一个i p 协议栈，该协议栈使用u d p 作为传输层 协议，并且包括一个n e 2 0 0 0 兼容网卡的驱动。这样，数据采集装置 可以使用u d p 协议和站级服务器通信，从而构成一个基于以太网和 i p 协议的传输系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 作为变电站和远方控制中心的接口， 制中心，同时接收控制中心的命令， 1 4 本文的研究任务 负责将绝缘数据传送到远方控 来实现对数据采集装置的控制。 本文结合变电站绝缘信息传输系统的歼发，研究了将以太网引 入工业控制领域需要解决的若干技术问题。 论文首先探讨使用以太网作为变电站绝缘信息传输网络的可行 性，并从保证数据传输网络的实时性出发，提出了若干设计原则。 然后从绝缘数据采集装置功能性要求出发，分析了嵌入式实时操作 系统的设计。在此基础之上，对一个嵌入式实时内核g c o s i i 进行 扩展，添加了i p 协议栈，完成了数据采集装置的通信软件。 该系统基于交换式以太网组成信息传输网络，采用p c 1 0 4 模块 构成嵌入式数据采集装置。使用一个开放源代码的嵌入式实时内核 g c o s i i 作为数据采集装置的操作系统平台，对t t c o s 一1 i 进行了扩 展，在它之上实现了一个i p 协议栈，该协议栈使用u d p 作为传输层 协议，并且包括一个n e 2 0 0 0 兼容网卡的驱动。这样，数据采集装置 可以使用u d p 协议和站级服务器通信，从而构成一个基于以太网和 i p 协议的传输系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章变电站绝缘信息传输网络设计 2 1 以太网应用于工业环境的可行性 过去人们认为以太网是为办公室环境开发的，不适合工业自动 化领域。这是因为： ( 1 ) 以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问( c s m a c d ) 介质访问协议。在网络负荷较重( 大于4 0 ) 时，网络传输的确定 性( d e t e r m i n i s m ) 未能满足工业控制的实时要求。 ( 2 ) 以太网所用的接插件( c o n n e c t o r ) 、集线器、交换机和电 缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求。 ( 3 ) 在工业环境中，以太网抗干扰性能较差。若用于危险场合， 以太网不具备本质安全性能。 ( 4 ) 以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。 随着技术的进步，以太网的上述缺陷已经得到克服。 2 1 1 以太网介质访问控制协议分析 以太网遵从i e e e 8 0 2 _ 3 标准，属于多路访问( m u l t i p l ea c c e s s ) 网络，网络中的节点共享同一个通信介质，当网络中的多个节点同 时发送数据时，就会发生冲突，因此需要对通信介质的争用进行仲 裁。这种仲裁称为介质访问控制( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) ，介质访问 控制协议是影响局域网数据传输确定性的最主要因素。 计算机网络一般采用分层的体系结构，如图2 1 所示是开放系 统互联参考模型( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n r e f e r e n c em o d e l ，简 称o s i 参考模型) ，介质访问控制属于o s i 参考模型的数据链路层功 能，在i e e e 8 0 2 局域网标准中，o s i 的数据链路层细分为介质访问 控制和逻辑链路控制两个子层。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章变电站绝缘信息传输网络设计 2 1 以太网应用于工业环境的可行性 过去人们认为以太网是为办公室环境开发的，不适合工业自动 化领域。这是因为： ( 1 ) 以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问( c s m a c d ) 介质访问协议。在网络负荷较重( 大于4 0 ) 时，网络传输的确定 性( d e t e r m i n i s m ) 未能满足工业控制的实时要求。 ( 2 ) 以太网所用的接插件( c o n n e c t o r ) 、集线器、交换机和电 缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求。 ( 3 ) 在工业环境中，以太网抗干扰性能较差。若用于危险场合， 以太网不具备本质安全性能。 ( 4 ) 以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。 随着技术的进步，以太网的上述缺陷已经得到克服。 2 1 1 以太网介质访问控制协议分析 以太网遵从i e e e 8 0 2 _ 3 标准，属于多路访问( m u l t i p l ea c c e s s ) 网络，网络中的节点共享同一个通信介质，当网络中的多个节点同 时发送数据时，就会发生冲突，因此需要对通信介质的争用进行仲 裁。这种仲裁称为介质访问控制( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) ，介质访问 控制协议是影响局域网数据传输确定性的最主要因素。 计算机网络一般采用分层的体系结构，如图2 1 所示是开放系 统互联参考模型( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n r e f e r e n c em o d e l ，简 称o s i 参考模型) ，介质访问控制属于o s i 参考模型的数据链路层功 能，在i e e e 8 0 2 局域网标准中，o s i 的数据链路层细分为介质访问 控制和逻辑链路控制两个子层。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 o s i 参考模型 应用层 表示层 会话层 俸输层 网络层 数据链路层 物理层 i e e e s 0 2 局域网标准 图2 1o s i 参考模型 载波侦听多路访问( c s m a ，c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 协 议包括很多形式；非持续c s m a 、持续c s m a ( 1 一持续c s m a 和p 一持续c s m a ) 、带冲突检测的c s m a 即c s m a c d 。 c s m a 的基本思路是每个节点在发送数据前侦听信道上其他节 点是否在发送数据，如在发送，该节点就不发送数据，从而减少发 生冲突的可能，提高网络吞吐量。 非持续c s m a 的工作原理是：某节点在发送数据之前，先侦听 信道的状态，如果信道空闲，它就开始发送。一旦侦听到信道忙， 就不再继续侦听，而是等待一个随机的时间后再重新侦听。非持续 c s m a 的一个明显缺点是，节点一旦发现信道忙，马上延迟一个随 机的时间再重新侦听，但很可能在再次侦听之前信道已经空闲。也 就是说，非持续c s m a 不能把信道刚变成空闲的时刻找出来，信道 利用率较低。 持续c s m a 的特点是在发现信道忙时，仍继续侦听下去，一直 到信道空闲为止。这时可以采用两种不同的策略，一种是一发现信 道空闲就立即发送数据，这就是l 一持续c s m a ，其缺点是如果网络 中有两个或多个节点在等待信道空闲，则等待信道空闲的节点会同 时发送数据，冲突就不可避免；另一种策略是当侦听到信道空闲时， 以概率p 发送，以概率( 1 一p ) 延迟一段时间t ( t 为端到端的传 输时延) ，然后重新侦听信道。这种方式称为p 持续c s m a 。 p 持续c s m a 是一种折中的算法，它试图降低1 一持续c s m a 算法的冲突概率，同时又减少非持续c s m a 算法中的信道浪费。p 持续c s m a 算法主要问题在于如何有效的选择p 值，考虑的主要因 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 素是要避免在重负荷下系统处于不稳定状态。假如当信道忙时，有n 个节点在等待发送数据，则当前的发送完成时，有n p 个节点试图发 送数据，如果p 选择过大，使n p 1 ，则冲突不可避免。最坏的情况 下，随着冲突概率的不断增大，网络吞吐量会降为o 。所以必须选择 p 值使n p l 。但如果p 值过小，则信道利用率会大大降低。 由于信道的传输延迟，采用c s m a 协议时，当节点侦听到传输 介质上没有信号存在而发送数据帧时，有可能另一节点刚发送出数 据。如图2 2 所示，在传输延迟期间，如果节点2 有数据帧发送， 就会和节点l 发送的帧冲突。由于c s m a 协议没有检测冲突的功能， 即使冲突已经发生，仍会把已破坏的帧发送完，使信道的利用率降 低。 图2 2c s m a 冲突 采用c s m a c d 可以提高信道的利用率。使用这种协议，每个 节点在发送数据帧的同时检测是否发生冲突。节点一旦检测到冲突， 就立即停止发送，并向信道上发一串阻塞信号，以强化冲突，通知 其他节点冲突已发生。这样信道的容量不致于因传送已损坏的帧而 浪费。 c s m a c d 协议中，在检测到冲突并发送阻塞信号后，为降低再 次冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再用c s m a 算法发送。 这个随机时间使用下面的二进制指数退避算法来决定： 1 ) 对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参量l = 2 。 2 ) 退避间隔取1 到l 个时间片中的一个随机数。1 个时间片为最大 传输时延的2 倍。 3 ) 当再次发生冲突时，将参量l 加倍。 4 ) 设置一个最大重传次数，当超过这个次数，则不再重传，并报告 出错。 使用c s m a c d 协议时，局域网中各节点都是平等的，冲突的 p 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 解决是通过各节点等待一个随机时间实现的。实时通信中，对于具 有实时性要求的消息，网络中的节点要能在规定的时间内把该消息 发送出去，也就是说，各个节点要发送的消息具有不同的发送优先 级。在这种情况下，可以使用最小剩余时间优先法对c s m a c d 协 议进行改进：对于节点要发送的每个实时消息，有一个对应的剩余 发送时间，如果在这个剩余发送时间内消息没有发送出去，则发送 失败。当节点发现信道空闲时，它等待一段时间，这个时间和它要 发送的消息的剩余时间成正比。这段等待时间过去后，节点就开始 发送数据。如果有冲突发生，则表明别的节点有同样剩余时间的消 息待发送，这时可以等待一段随机时间来解决冲突。 应用程序通过提供实时性保证的上层网络协议也可以在以太网 上获得通信的时间确定性，如使用r t p s ( r e a l t i m ep u b l i s h s u b s c r i b e ) 协议【3 6 1 。 另外，以太网的通信速率得到了很大提高，从十兆到百兆，目 前千兆以太网已得到普遍应用。同样的通信量，通信速率的提高意 味着网络负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着确定性的提高。文 献f 3 6 运用概率统计的方法分析了以太网的实时性能。根据他们的计 算结果，对于1 0 0 m b i t s 以太网，如果每秒发送1 0 0 0 个1 2 8 字节的 数据帧，则在5 年内发送时延不大于2 毫秒的概率为0 9 9 9 9 9 9 8 2 8 ， 此时网络负荷为l 。而对于1 0 m b i t s 以太网，在同样的网络流量下， 网络负荷为1 0 ，要保证8 毫秒的最大时延其成功可能性只有 0 9 5 9 6 7 7 】8 6 。 2 1 2 交换式以太网的性能分析 交换技术的快速发展已经消除了以太网应用于工业自动化领域 的障碍。 传统以太网使用共享介质技术，任一时刻在网络上只能有一个 节点发送信息，其他节点只能接收信息，这样网络带宽实际上是共 享的，在一个1 0 0 m b i