工業(yè)以太網(wǎng)及其在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

侯樹文 金 杰 孔衛(wèi)星

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是伴隨著控制系統(tǒng)的變革而發(fā)展起來的。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,計算機被引入到控制系統(tǒng),先后出現(xiàn)了計算機集中控制系統(tǒng)CCS、分散型控制系統(tǒng) DCS和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS。

集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,直接面對控制對象,但系統(tǒng)實時性、可靠性得不到保證。真正意義的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系是在二十世紀八九十年代占據(jù)了主導(dǎo)地位的分散型控制系統(tǒng) DCS(也稱為集散型控制系統(tǒng)),DCS將管理和控制相分離,實現(xiàn)“集中管理,分散控制”,有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。但集散控制系統(tǒng)也有明顯的缺點,如多極主從結(jié)構(gòu)對主機依賴過重且效率低;大量使用模擬信號,傳輸可靠性差;廠家各自制定標準,通信協(xié)議不開放等。

為了克服DCS系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸,出現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術(shù),將系統(tǒng)的控制功能進一步下放,順應(yīng)了“智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化”的自控技術(shù)發(fā)展主流,形成創(chuàng)新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS(Fieldbus Control System)。但是 FCS標準種類過多,且各有自己的優(yōu)勢和適用范圍,另外在本質(zhì)安全、系統(tǒng)可靠性、數(shù)據(jù)傳輸速度等方面存在一些技術(shù)瓶頸。

1 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點

目前許多大公司的工業(yè)控制系統(tǒng)都是采用以太網(wǎng)來統(tǒng)一管理,而且各種現(xiàn)場總線也大多開發(fā)出以太網(wǎng)接口,因此可以說以太網(wǎng)已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主要通信標準。這主要是因為以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點:1)應(yīng)用廣泛。2)成本低廉。3)通信速率高。4)軟硬件資源豐富。5)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

因此,如果工業(yè)控制領(lǐng)域以太網(wǎng)作為現(xiàn)場設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)平臺,可以避免現(xiàn)場總線技術(shù)游離于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的主流技術(shù)之外,從而使現(xiàn)場總線技術(shù)和一般網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進,共同發(fā)展,并保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展,在技術(shù)升級方面無需單獨的研究投入,這一點是任何現(xiàn)場總線技術(shù)所無法比擬的。

2 統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準

以太網(wǎng)本身僅定義了物理介質(zhì)、數(shù)據(jù)幀格式和LAN內(nèi)設(shè)備的數(shù)據(jù)包的傳輸尋址方案,它相應(yīng)于OSI模型的最低兩層。在其上的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層可使用TCP/IP協(xié)議,讓應(yīng)用層信息在兩個設(shè)備之間傳輸,但不能保證其有效的通信。采用以太網(wǎng)+TCP/IP的設(shè)備廠商都有各自的應(yīng)用層定義,這意味著如連到同一廠房的以太網(wǎng)中的設(shè)備可以物理共存,但不能實現(xiàn)有效的互操作,也不能保證實時控制的要求。為此要在應(yīng)用層給出一個類似 FTP或HTP協(xié)議的應(yīng)用層規(guī)范,使類型迥異的各種設(shè)備能擁有統(tǒng)一的“定義”。兩大組織 IEA(Industrial Ethernet Association)和 ODVA(Open DeviceNet Vender Association)提出并定義了一個“以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議”Ethernet/IP,它是建立在 802.3協(xié)議之上的、支持 TCP/IP和 CIP(Control＆Information Protol)的架構(gòu)體系。

CIP本身是由DeviceNet和 ControlNet提出并定義的應(yīng)用層協(xié)議,是專為工業(yè)控制設(shè)計的基于對象的一種方法(體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、服務(wù)等),提供了訪問數(shù)據(jù)和控制設(shè)備操作的服務(wù)集合對象庫。對象庫描述了不同廠商的設(shè)備定義、標識等,使類型差別很大的設(shè)備可以直接連入網(wǎng)絡(luò)且被整個系統(tǒng)“看到”,實現(xiàn)即插即用。

由此看出,Ethernet/IP使工業(yè)以太網(wǎng)更容易地與底層充當主角的各種現(xiàn)場總線子系統(tǒng) FCS集成和并存。同時 Ethernet/IP還定義了顯式(explicit)和隱式(implicit)兩種報文。前者用于對時間無嚴格要求的點對點組態(tài)信息,報文的數(shù)據(jù)段載有協(xié)議信息及其服務(wù)的性能說明,要求各個接點必須解析每個報文,執(zhí)行響應(yīng)的任務(wù)。其報文的長短、出現(xiàn)頻率有很大的變化。顯式報文是由TCP協(xié)議完成的。對實時性要求很高的信息,則使用隱式報文由UDP(用戶數(shù)據(jù)報)+IP來傳輸。

Ethernet/IP將從應(yīng)用層來的 CIP報文壓縮,封裝成 TCP或UDP的幀格式,然后通過具有 Switch結(jié)構(gòu)的 Ethernet發(fā)送,在接受點拆包后還原為CIP報文,交給使用者。ODVA還提供免費的設(shè)備對象庫的開發(fā)工具包和樣例,供廠家開發(fā)自己的設(shè)備對象描述。

3 標準功能模塊方式

標準化功能塊提供一個通用的結(jié)構(gòu),把實現(xiàn)控制系統(tǒng)所需的各種功能劃分為功能模塊,如 AI,AO,PID等,使其公共特征標準化,規(guī)定它們各自的輸入、輸出、算法、事件、參數(shù)與塊控制圖,并把它們組成可在某種現(xiàn)場設(shè)備中執(zhí)行的應(yīng)用進程。功能塊的通用結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)開放系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ),也是實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)功能與自動化功能的基礎(chǔ)。在 H 1和 HSE標準中,規(guī)定了犯種標準功能塊,但每種功能塊標準中,規(guī)定了犯種標準功能塊,但每種功能塊只對功能塊的外特性進行統(tǒng)一,而功能塊內(nèi)部的算法是由開發(fā)者設(shè)計的,為開發(fā)者保留了發(fā)揮自己產(chǎn)品特色或優(yōu)勢的空間。

4 工業(yè)以太網(wǎng)在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

間隔層設(shè)備直接上網(wǎng)正逐漸成為主流變電站通信結(jié)構(gòu),由IEC61850協(xié)議草案也能看到這點。在這種通信模式中變電站自動化系統(tǒng)在邏輯結(jié)構(gòu)上分為過程層、間隔層和站控,其中過程層包含變電站內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)施,如變壓器、斷路器及其輔助接點、電流互感器和電壓互感器等,主要負責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、提供I/O接口等;間隔層包含測量和控制單元,負責(zé)該單元線路或變壓器的參數(shù)測量和監(jiān)控,斷路器的控制和連鎖等;變電站層包含全站性的監(jiān)控主機,通信及控制主機,實現(xiàn)管理等功能的工程師站。

對于那些不具備網(wǎng)絡(luò)接口的間隔層設(shè)備(如某些保護裝置、智能電度表等),可通過 RS-232/485或現(xiàn)場總線方式連在一起,然后通過一個具有嵌入式以太網(wǎng)接口的通信管理單元(如保護管理機、智能設(shè)備接口機等),將其作為一個間隔層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接到以太網(wǎng)上。

隨著一次設(shè)備技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展,智能開關(guān)、電子電壓/電流互感器等一次設(shè)備上網(wǎng)將在不久的將來成為可能,一層網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)已成為變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展方向。兩個層次的關(guān)系如圖1所示。

5 結(jié)語

以太網(wǎng)所具有的低成本、全開放、傳輸速率高及應(yīng)用廣泛等優(yōu)點,使其在工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用中擁有巨大的優(yōu)勢,并且隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,阻礙著應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的一些缺陷如通信實時性、互可操作性、網(wǎng)絡(luò)安全性等都已得到很大程度的改善。

通信網(wǎng)絡(luò)作為變電站自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵,通信方式由 RS-232/485和現(xiàn)場總線,發(fā)展到工業(yè)以太網(wǎng),雖然目前以太網(wǎng)全面代替現(xiàn)場總線應(yīng)用于變電站自動化系統(tǒng)中還存在著一些問題,但隨著技術(shù)的發(fā)展,未來以太網(wǎng)將在變電站自動化系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備之間的互連以及和信息集成中發(fā)揮越來越重要的作用。

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