摘 要: 以太网由于其固有的不确定性，一直以来很难在工业控制领域应用，近年来工业以太网的迅速发展让以太网进入工业控制控领域成为现实，本文介绍了一个利用以太网实现井网实时监控的实例，并对该系统进行了延时分析。
关键词：以太网，确定性，油井，实时监控
0 引言
随着自动化系统越来越智能化和更灵活，系统中的传感器和控制器等智能仪表的数量不断增加而且更加分散，因而系统中不同设备之间的数据交换量也不断增大。因此，为保证系统的实时性和确定性，自动化控制网络显得极为重要。说到控制网络，人们都会想到现场总线，近年来现场总线确实得到快速发展，但昂贵的硬件费用以及不同总线设备之间难以通信的缺点限制了现场总线的应用。因此，无论是最终用户还是开发商都在寻找高性能、低成本的解决方案。
随着以太网的迅速发展，以太网已成为事实上的工业标准。目前不仅在办公自动化领域，而且在各个企业的管理网络也都广泛使用以太网技术。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格相对较低，带宽也在飞速增长（出现了干兆甚至万兆以太网），特别是交换式以太网技术的出现，使人们转向希望以物美价廉的以太网设备替代控制网络中相对昂贵的专用总线设备。
1 以太网的特性
以太网是IEEE802.3所支持的局域网标准，最早由Xerox公司开发，DEC公司、Intel公司和Xerox公司联合扩展，成为以太网标准。按照IS0开放系统互连参考模型的7层结构，以太网标准只定义了链路层和物理层。作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。
以太网的媒介访问控制协议（CSMA/CD）有无法预见的延迟特性。网络每个节点要通过竞争来取得信息包的发送权：节点监听信道，只有发现信道空闲时，才能发送信息;如果信道忙碌则需要等待。信息开始发送后，还需要检查是否发生碰撞，信息如发生碰撞，需退出重发。显然，在信道繁忙的情况下，数据的实时性无法得到保证，这也正是长期阻碍以太网进入工业控制领域的主要障碍。然而，由于快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。
2 以太网进入工业控制领域已成为现实
过去几年，以太网技术有了迅猛发展。其中交换式以太网技术的发展与应用大大地改善了以太网技术中由于CSMA/CD媒介访问方法产生的不确定性问题，它与快速以太网、干兆以太网技术结合，使以太网的实时性、确定性都得到了较大的改善。
与传统的以太网相比，交换式以太网在两方面有较大改进。首先，两者在集线器操作方式上有很大不同。在传统的以太网中，HUB将一个端口接收的数据发送到所有其他端口，它实现的是一种广播功能，这也意味着每次都只有一个节点能发送数据。而交换机是一种智能HUB，它能识别并处理所接收的数据的目的地址而仅仅将它发送到目的端口，这也意味着多个节点可以同时发送数据。其次，传统以太网中，节点与HUB之间是半双工连接，而交换式以太网采用全双工，这样节点可以同时发送和接收数据。有了这两方面的不同，交换式以太网克服了传统以太网的缺点。大大提高了网络性能，使原来的“共享式”带宽变成了“独占式”带宽，较好地解决了带宽问题。
除以上两方面外，交换式以太网运用了交换技术的典型方法，即存储转发。其工作原理是：当交换机收到源站发送来的数据帧后，首先检查目的站信道是否空闲，若空闲则发送，若忙则将数据保存在缓冲区，直到信道空闲才将其发送。另外，如果同时收到几个要发送到同一个目的站的数据帧，交换机会将他们存储在缓冲区，然后再依次发送。采用交换机的另一好处是将冲突域分割开来，从而扩大了网络系统的覆盖范围。如今，以太网还发展了虚拟局域网（VLAN）、虚拟冲突以及容错冗余等技术。
当以太网解决了不确定性问题后，完全具备进入工业控制领域的条件，而且具有现场总线无法比拟的优势。目前，各制造商正在研制适应于工业环境的以太网产品、控制器，并且已经有很多工业以太网产品进入市场，在工业各领域应用越来越广泛。
3 应用实例
随着企业信息化大潮的到来，石油工业同样在向智能化和信息化发展。一般来说，企业的信息系统按功能可划分为3层：底层为完成生产现场测量控制功能的过程控制层PCS（Process Control System）;最上层为企业资源规划层ERP（Enterprise Resource Planning）;而传统概念上的监控、管理、调度等多项控制管理功能交错的部分都被包罗在中间的制造执行层MES（Manufacturing Execution System）。要实现企业的一体化解决方案，实现信息的集成与综合应用，就需要在各层内部以及各层信息源之间进行信息集成。与发达国家相比我国石油开采技术水平还有一定差距，目前我国的采油井95%以上是机采，大多数数据采集依靠人工完成，虽然一定程度上已建立了石油管理局一级的MES（或MIS）管理信息系统，但油井现场的数据还不能实现无缝上传，无法实现高效的采油调度管理。本例介绍了利用以太网控制网络实现对油井的监控，使油田信息网络向井口扩展，实现油井数据的实时传送和信息网络的无缝链接，形成油田生产管理与监控一体化的信息网络。
图1 系统框图
众所周知，油井的管理是油田生产管理中关键的环节之一，其特点是地区偏远、工作量大、技术难度高。本系统充分考虑到油田的地理特点，中控室放在转油站，距离中控室较远的油井利用无线通信，近距离的油井和转油站采用有线方式，系统框图如图1。系统以美国Optimation公司的OptiLogic以太网RTU（10Mbps）作为油井和计量站数据采集及操作控制的智能终端设备，每个RTU最多可传送3口油井的数据（电流、电压、油温、油压、负荷、编码信号等），站内RTU主要用于采集储油罐、注水终端和自动计量终端的液位、温度、压力、流量等数据。系统选用台湾Macromate公司的无线以太网路由器（MAP811）和无线以太网桥（MAP811E）作为采油小队与油井之间的无线通信设备，它采用直扩DSSS的传输方式，速率可达11Mbps,支持TCP/IP协议标准。工作频段为2.4GHz ISM自由频段，该范围是不受无线电管理委员会限制的频道。同时，这种频率段不易受干扰影响。通过井口架设定向天线和采油小队架设全向天线，实现井口与监控工作站的通信。中控室的交换机将监控工作站和各路设备连接起来，通过交换机的VLAN（虚拟局域网）功能，将监控工作站和其他端口之间分别设为VLAN，减少了不必要的广播流量和数据冲突。
系统以美国Entivity公司Think&Do控制软件作为采油小队中央控制室监控工作站的监控组态软件。本系统通过运行于监控工作站的Think&Do应用软件，以50ms的扫描速率对所有I/O数据进行刷新并将所有数据分类保存在文本文件（.TXT）中。监控工作站上的原始数据通过100M以太网及时传送给数据服务器以备上一级查询，它们之间可通过DCOM标准接口或Think&Do的TnDNTag控件进行实时数据通信。数据服务器和采油厂及管理局之间通过远程登陆程序，可实现对现场数据的查询。
上例介绍的是长庆油田某采油厂的一个示范项目，该系统用了5个RTU对10口井进行监控，通常情况下，当冲突域中RTU数量少于5个时，几乎没有冲突产生。因此，只要保证每个MAP811所连接的RTU不超过5个，对于更大的系统，可以用交换机分成不同的冲突域（如图2），利用交换机的存储转发功能，完全可以保证系统的确定性。
图2 系统扩充图
4 网络延时分析
为了对图1所示系统的实时性有更清晰的认识，我们可以分析该系统的最大延时。
在以下情况系统会产生最大延时：（1）RTU的响应时间最长;（2）经过MAP811时有最大冲突次数;（3）交换机产生最大的排队延时。
根据optilogic提供的数据，其以太网RTU的响应时间如表1所示。在该系统中井口的RTU最大响应时间为采集3口油井数据的RTU所产生的响应时间，其中包括3个数字量模块和3个模拟量模块，其响应时间为：
Tres = Tbas + 3×Tmd + 3×Tma
= 1.6+0.3+3×0.2+3×0.73
= 4.69ms （1）
其中Tres为RTU总响应时间，Tbas，Tmd，Tma分别为RTU机架、开关量模块和模拟量模块的响应时间。
Think&Do的限制响应时间功能要求在设定时间内收到RTU的响应信息，若在设定的时间内未得到相应信息则断开与该RTU的连接。利用该功能对5个RTU通过MAP811组成的系统进行了响应时间测试，结果如表2所示。通过表2可以看出当设定值到15ms以上时长时间内都没有RTU被断开，则可认为经过MAP811产生最大延时为：
Tmap = 15-Tres = 15 - 4.69 = 10.31ms （2）
值得一提的是，若直接采用网线将RTU与交换机相联，整个系统的延时将可减少MAP811所产生的延时，必将大大增强系统的实时性。
交换机存储转发最大延时产生在有4个帧同时到达（图1），而这时产生的延时会小于1ms[1]。这样整个系统的最大延时不会超过16ms，对于一般的系统完全可以满足实时性要求。而在实际中我们将限制响应时间设定为20ms，这样可以保证系统长时间不会有RTU被断开连接，即使偶尔有RTU被断开，通过Think&Do的Rescan功能可重新连接。
表1 以太网RTU响应时间
表2 经MAP811后RTU的响应时间
5 结束语
上例介绍的井网实时监控系统现在已经运行，较之以往的方式（如数传电台），系统的实时性提高了很多。该系统的成功运行，也证明了以太网已经完全可以满足工业控制领域的实时性要求。同时，以太网能够与工厂信息管理系统进行直接地、无缝地连接，而无需任何专用设备。实现了油田信息网络向井口扩展，油井数据的实时传送和信息网络的无缝链接，形成了油田生产管理与监控一体化的信息网络。
参考文献
[1] Kyung Chang Lee，Performance evaluation of switched Ethernet for real-time industrial communications，Computer Standards & Interfaces，2002（12）
[2] Optilogic RTU Manual，Optimation.Inc，2000
[3] 熊育悦等，工业以太网在控制系统中的应用前景，自动化仪表，2002（9）
[4] 胡道元等，计算机局域网，清华大学出版社，2002
[5] 冯大为等，从信息集成看现场总线的发展，冶金工业自动化，2001（6）
[6] 阳宪惠等，现场总线技术及其应用，清华大学出版社，1999