摘要：為了推動石油化工自動化的發展，依據太網技術的發展，本文介紹了以太網的基本知識及在石油化工自動化中的應用，并通過基于以太網的SCADA系統分析了以太網的結構和功能，說明了應用以太網技術是石油化工自動化的發展方向之一。
　　　　
　　一、引言
　　
　　以太網產生于1973年，當時，施樂公司的BobMetcalfe在一張餐巾紙上勾畫出Ethernet的基本輪廓，這張餐巾紙現在還保存在施樂公司的PaloAlto研究中心。zui初的Ethernet標準通訊速率是2.94Mbps。在施樂公司和In公司、DigitalEquipment公司合作開發了DIX2.0標準后，Ethernet在粗同軸電纜上的傳輸速率變成了10Mbps。同一時期，電氣與電子工程師協會（IEEE）了Ethernet的CSMA/CD802.3標準。1983年CSMA/CD802.3標準正式確定并被采用。近幾年來，隨著計算機和網絡技術的發展，引發了控制領域深刻的技術變革，Ethernet逐漸的進入工業領域。據統計，目前在工業領域有超過100種通訊協議被應用于各種各樣的工業計算機平臺之間的數據交換，從智能傳感器到參域的監控系統都在應用Ethernet。Ethernet是目前可用的zui常見的網絡協議，因而控制系統結構向網絡化、開放性方向發展將是控制系統技術發展的主要潮流，以太網作為目前應用的局域網技術，在工業自動化和過程控制領域將會得到了越來越多的應用。
　　
　　二、以太網技術介紹及其發展趨勢
　　
　　一般來講，控制系統網絡可分為3層：信息層、控制層和設備層（傳感/執行層）。傳統的控制系統在信息層大都采用以太網，而在控制層和設備層一般采用不同的現場總線或其他網絡。目前，以太網已經滲透到了控制層和設備層，很多的PLC和遠程I/O供應商都能提供支持TCP/IP的以太網接口的產品。以太網之所以給自動化市場帶來風暴式的革命，主要有3個原因：（一）低成本的刺激和速度的提高；（二）現代企業對實時生產信息有越來越多的要求；（三）以太網的開放性和兼容性。
　　
　　早期的以太網，多節點共享同一個傳輸媒體，稱為共享以太網（SharedEthernet），節點間通信采用廣播方式，易發生沖突。共享以太網用CSMA/CD技術來避免沖突，即發送方檢測到沖突就暫停發送，隨機延遲一段時間后再重新發送直到成功。由于延遲時間是隨機的，不能事先知道，因而共享以太網的時間響應具有不確定性，不能用于強實時性場合。
　　
　　交換以太網（SwitchedEthernet）的出現克服了這一缺點，以太網的交換機（Switch）是數據鏈路層（ISO/OSI參考模型第二層）的多端口網橋，也可以說是智能分配器。交換機將其管理的網絡以星型拓撲結構劃分為許多物理上互相隔離而邏輯上互相的節點，每一節點單獨與交換機建立物理連接，在通信的時候交換機會在發送端口與接受端口間建立一個獨占的全雙工通道，它具有以太網的全部帶寬并避免沖突。
　　
　　交換以太網在獲得確定性的同時，傳輸速度也有極大的提高。千兆以太網已普及，10Gb/s的交換以太網正在開發。當以太網用于信息技術時，應用層含有HTTP（超級文本傳輸協議）、FTP（文件傳輸協議）、SMTP（簡單電子郵件傳送協議）和net（遠程登錄）。這些基于TCP/IP的協議簇已經成為工業界事實上的網絡標準，在不同廠商的不同網絡系統互聯方面起著關鍵作用。但當以太網用于工業控制時，體現在應用層的是實時通信、用于系統組態的對象以及工程模型的應用協議。工業以太網和Internet技術的發展將*改變傳統工業企業的網絡架構。工業以太網已經從信息層向下延伸到控制層和設備層采用以太網架構以后，控制器的位置也可以突破傳統網絡架構的限制，可以位于現場，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至遠程I/O支持以太網的功能越來越強，在有些控制器和遠程I/O模塊中已經集成了Web服務器，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程I/O模塊中的當前狀態值。采用以太網架構和開放的軟件系統的制造企業也被稱為“透明工廠”。此外，通過Internet可以實現對工業生產過程的實時遠程監控，將實時生產數據與ERP系統以及實時的用戶需求結合起來，使生產不只是面向定單的生產，而是直接面向機會和市場的“電子制造”，從而使企業能夠適應經濟化的要求。
　　
　　許多工業控制系統正在致力于發展IP和以太網技術，當前快速發展的信息技術已經成為工業控制網絡的一部分。目前，以太網技術的發展情況如表1所示。
　　

現場總線協議	對以太網的服務	應    用
基金會現場總線（FF）	FF HSE	FMS與UDP/IP之間的映射
Profibus	ProfiNet	與TCP/IP之間的接口
Modbus	Modbus TCP	Modbus與TCP/IP之間的接口
ControlNet和DeviceNet	CIP on 以太網	CIP與TCP/IP之間的接口
LonWorks	iLon	Lontalk與TCP/IP之間的接口
Interbus	Interbus on 以太網	與TCP/IP之間的接口

　　現場總線協議對以太網的服務應用
　　
　　基金會現場總線（FF）FFHSEFMS與UDP/IP之間的映射
　　
　　ProfibusProfiNet與TCP/IP之間的接口
　　
　　ModbusModbusTCPModbus與TCP/IP之間的接口
　　
　　ControlNet和DeviceNetCIPon以太網CIP與TCP/IP之間的接口
　　
　　LonWorksiLonLontalk與TCP/IP之間的接口
　　
　　InterbusInterbuson以太網與TCP/IP之間的接口
　　
　　三、串口上網技術
　　
　　在系統網絡化的過程里,由于許多傳統的串口設備未具備聯網能力,在控制指令與設備信息的傳遞上,必須要有串行通訊轉TCP/IP網絡的方案[4]。而串口通訊網絡技術簡單、易用，性價比高，是系統網絡化的理想選擇。現在市場上已出現MOXA的Nport系列串口上網服務器。使用MOXA的標準串口驅動程序，MOXA的串行端口可以被仿真成是遠程的COM端口，不需要更改系統原有使用串行通訊的應用軟件或通訊元件。好處在于，有了Windows和Linux/Unix的驅動程序支持，Nport家族可以立即讓串口設備具備聯網的能力。Nport家族設備聯網服務器包含完整的TCP/IP協議。它可以把串口數據包裝成TCP封包，并轉換成可以在Ethernet上傳送的Frame，傳送到主機的以太網卡上。主機以自己的TCP/IP協議解封包后，應用程序可以接收到完整的串口數據。通過Nport家族TCP端口，可不是用驅動程序，而以TCP/IPSocket來存取串口數據。這種解決方案適合于所有具備TCP/IP連接功能的系統。讓串口設備具備TCP/IP網絡界面，可提高企業管理與原作效率。由TCP/IP網絡可遠程、機動性管理的特性，大大減低系統故障維護與人力成本，是一個底成本效益的串口設備管理模式。
　　
　　四、基于以太網的SCADA系統
　　
　　現代輸油管道自動化管理多采用SCADA系統（分布式數據采集和監控系統），在國內外輸油管道設計中，SCADA系統已成為*的選擇和管道系統管理與控制的標準化設施，計量站、調壓站、清管站、陰極保護站等均由SCADA系統實行遙測、遙控。
　　
　　1 SCADA系統的基本配置
　　
　　1.1中心控制級（控制中心）
　　
　　調度控制中心是SCADA系統的中樞，對管道進行連續的監控和管理。系統應能夠確保數據采集和儲存的完整性、及時性、準確性、安全性、可靠性，同時系統應具有支持開放性，支持用戶開發、補充和完善應用功能。
　　
　　調度控制中心的計算機系統一般按客戶機/服務器結構，設置使用實時任務操作系統，服務器和局域網采用熱備冗余配置。該控制中心配有操作員工作站、工程師站、終端站、大屏幕投影系統、路由器（冗余配置）、調制解調器等。
　　
　　1.2站場控制級（站控系統）
　　
　　站控系統是SCADA系統的遠方監控站，是保證SCADA系統正常運行的基礎，分別設置分布在各地控制室內。站控制系統主要由過程控制單元、操作員工作站、數據通信接口等構成。過程控制單元采用技術性能優、可靠性高的可編程邏輯控制器（PLC）和I/O框架的連接網絡。做為人機接口的操作員工作站采用工業級工作站型計算機。
　　
　　站控系統硬件配置包括：PLC，操作員工作站、激光打印機、路由器、操作臺等。
　　
　　1.3系統同步
　　
　　為保證SCADA系統各部分數據的一致性，保持整個系統的同步非常重要。首先在調度控制中心設置了GPS時鐘作為全系統的標準時間，并要求各站控系統硬件時鐘誤差不超過1s。系統時鐘同步是由前端機向各現場發送時鐘校核一次；RTU重新啟動時必須校核；中斷的通信獲得恢復時應該校驗。
　　
　　系統的接地和保護。自控系統接地采用等電位連接。各站控制室內操作站、操作臺、機柜等均應做保護接地，保護接地接至電氣的安全接地網。
　　
　　儀表信號回路接地端和屏蔽接地端接至信號接地網。保護接地和信號接地電阻均小于4Ω，信號接地網與電氣的安全接地網分別接至電位接地極。
　　
　　2 SCADA系統的硬件組成
　　
　　組成SCADA系統的主要是PLC和DCS
　　
　　SCADA系統屬中小規模的測控系統。它集成了PLC的現場測控功能強和DCS的組網通訊能力強的兩大優點，性能價格比高。
　　
　　3 新一代以太網的SCADA系統
　　
　　隨著計算機技術、通訊技術的深刻變化，大范圍輸油管道工程中監控系統的實現手段也必將發生本質的變化。而傳統的建立在穿行CDT/POLLING規約基礎上的SCADA系統難以滿足大規模輸氣網絡監控要求。
　　
　　輸油工程的各個系統之間（輸油調度監控系統等）越來越緊密，必須統一考慮。所以提出以太網（局域網、城域網、廣域網）為通信基礎的面向整個輸油系統的大對象。通過計算機軟件平臺（UNIX，Linux，Windows，Java等）集成了SCADA功能。首先，需要各地分配站到調度中心鋪設光纖。基本思路是以路由器、光纖網絡交換機、光纖構建一個以千兆光纖以太網為骨干，百兆光纖為子網或分支的高速網絡。
　　
　　控制中心間通信協議ICCP可使一個輸油控制中心與同一企業的其他輸油控制中心，其他輸油企業、聯營企業、區域控制中心、獨立采用部門等通過廣域網（WAN）進行數據交換，交換的信息由輸油系統監視和控制用的實時數據和歷史數據組成。包括測量數據、計劃數據、輸油量結算數據及操作信息。
　　
　　控制中心的SCADA主機與其他控制中心主機之間進行數據交換通常要經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處理器；SCADA，負荷管理，分布式應用，顯示處理器。在SCADA系統中SCADA主機是zui主要的處理器，通過數據采集單元（DAUS）和遠方終端裝置（RTUS）收集處理模擬和數字信號來監視數據，控制中心通常都配置了處于“熱備用”狀態的冗余的SCADA主機。分布式應用主機則進行各種龐雜的分析調度計劃。顯示處理器方便操作人員顯示數據流量和控制用。通常控制中心由一個或多個局域網（LAN）間將這些主機連接起來，并常常通過中間的通信處理器訪問各廣域網。
　　
　　五、總結
　　
　　從上述的論述中，我們可以得出以下簡單的結論：石油化工自動化的發展趨勢應該是分布式、開放化和信息化。分布式的結構是一種能確保網絡中每個智能的模塊能夠獨立的工作的網絡，達到系統危險分散的概念；開放化則是系統結構具有與外界的接口，實現系統與外界網絡的連接；信息化則是使系統信息能夠進行綜合處理能力，與網絡技術結合實現網絡自動化和管控一體化。基于以太網技術的自動化具有低成本和開放性，可以實現遠程控制，易于與管理結合，實現管控一體化。