工業(yè)以太網(wǎng)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用

　　一、引言
　　
　　計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了工廠自動化領(lǐng)域的深刻技術(shù)變革。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展已成為技術(shù)發(fā)展的主流趨向。以太網(wǎng)（Ethernet）作為目前在管理信息系統(tǒng)（MIS）中應(yīng)用的局域網(wǎng)技術(shù)，在工廠自動化和過程控制領(lǐng)域也得到了越來越多的應(yīng)用。
　　
　　近年來，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)*改變了傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它使以太網(wǎng)的應(yīng)用能夠從工廠信息層向下延伸到控制和設(shè)備層，建立起一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、可靠互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)平臺，從而消除所謂的"自動化孤島"，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部從下至上的快速信息流動（即所謂"透明工廠"）。
　　
　　越來越多的企業(yè)開始從過程控制數(shù)據(jù)中提煉信息，來實現(xiàn)企業(yè)智能化解決方案，并將其融入到企業(yè)內(nèi)業(yè)或者外部的管理運營系統(tǒng)中。
　　
　　二、工業(yè)以太網(wǎng)與民用以太網(wǎng)的區(qū)別
　　
　　事實上，工業(yè)以太網(wǎng)除了在協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)上與民用以太網(wǎng)相同（都遵從IEEE802.3）之外，其他方面則有些差異。由于是專為工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸通訊而設(shè)計，所以工業(yè)以太網(wǎng)更像是現(xiàn)場總線，或者數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。表現(xiàn)在以下幾個方面：
　　
　　■網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：
　　
　　民用太網(wǎng)多采用星型，其目的是分層和集中，設(shè)備端口數(shù)量大。
　　
　　工業(yè)以太網(wǎng)則采用總線或環(huán)形，其目的是分布式系統(tǒng)的互聯(lián)，設(shè)備端口數(shù)量少，總線或環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性好、施工方便等優(yōu)點：
　　
　　■環(huán)境耐受力：
　　
　　■民用以太網(wǎng)多用于辦公環(huán)境，設(shè)備所處環(huán)境良好，無需考慮環(huán)境耐受力。
　　
　　工業(yè)以太網(wǎng)必須能適應(yīng)在惡劣環(huán)境下不間斷運行，且須通過嚴(yán)格的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試。（包括：濕熱、腐蝕、鹽霧、強(qiáng)電磁干擾）
　　
　　■可靠性：
　　
　　工業(yè)現(xiàn)場的機(jī)械振動、氣候（包括溫度、濕度）、塵埃、腐蝕、電磁干擾等條件非常惡劣，因此對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。在基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)成為關(guān)鍵性設(shè)備，系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合使得可靠性成了自動化設(shè)備制造商的設(shè)計重點。高可靠重負(fù)荷設(shè)計的工業(yè)以太網(wǎng)能地滿足這種要求。
　　
　　工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備必有適應(yīng)長時間不間斷運行，為此產(chǎn)品是按照PLC／DCS等工業(yè)控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計的：無散熱風(fēng)扇等機(jī)械轉(zhuǎn)動部件；并具備很寬的溫度范圍（通常是0-60℃）；具有較高的平均*時間（MTBF值＞100000小時）
　　
　　■抗*力：
　　
　　為了避免電源干擾，工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備采用DC24V外部直流電源雙路冗余供電，
　　
　　為了避免線路傳輸干擾，工業(yè)以太網(wǎng)使用光纖作為長距離傳輸介質(zhì)，因此工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備須內(nèi)置光纖介質(zhì)接口，如：多模光纖接口或單模光纖接口。
　　
　　■可恢復(fù)性：
　　
　　所謂可恢復(fù)性，是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任一設(shè)備或網(wǎng)段發(fā)生故障而不能正常工作時，系統(tǒng)能依靠事先設(shè)計的自動恢復(fù)程序?qū)嚅_的網(wǎng)絡(luò)重新鏈接起來，并將故障進(jìn)行隔離，以使任一局部故障不會影響整個系統(tǒng)的正常運行，也不會影響生產(chǎn)裝置的正常生產(chǎn)。
　　
　　工業(yè)以太網(wǎng)通常使用光纖環(huán)網(wǎng)作為鏈路冗余，鏈路故障時，自愈時間＜1秒。以此保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不間斷運行。
　　
　　■實時性：
　　
　　為了保證工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，工業(yè)以太網(wǎng)使用低傳輸時延的交換設(shè)備，性能好的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備，其傳輸時延是民用以太網(wǎng)設(shè)備的千分之幾。這一指標(biāo)甚至高于SDH或ATM等傳輸網(wǎng)。
　　
　　■確定性：
　　
　　傳統(tǒng)的共享以太網(wǎng)使用集線器（HUB）作為網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，屬于不確定性傳輸網(wǎng)絡(luò)，不能滿足實時數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求。工業(yè)以太網(wǎng)使用交換機(jī)（Switch），并具有端口優(yōu)先級設(shè)置，因而能保證實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性
　　
　　民用以太網(wǎng)當(dāng)存在網(wǎng)絡(luò)回路時，會產(chǎn)生"廣播風(fēng)暴"。為了避免這一現(xiàn)象，須采用"生成樹算法（SPT）"動態(tài)地重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，故障時的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時間長（3-90秒），從而造成網(wǎng)絡(luò)的不確定性。而工業(yè)以太網(wǎng)的冗余機(jī)制有確定的邏輯斷點，因而保證了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定性。
　　
　　■可維護(hù)性：
　　
　　可維護(hù)性是高可用性系統(tǒng)zui受關(guān)注的焦點之一。工業(yè)以太網(wǎng)通過制造商提供的網(wǎng)管軟件進(jìn)行故障定位和自動報警，使得故障能夠得到及時地處理；同時網(wǎng)管軟件還可以進(jìn)行性能管理、配置管理、變化管理等內(nèi)容。除此以外，工業(yè)級交換機(jī)還使用卡軌安裝方式，甚至模塊化單元來滿足維修更換的快速性和便捷性，并使用直流24V電源供電，以保證檢修安全。
　　
　　■成本考慮：
　　
　　與所有的工業(yè)設(shè)備投資一樣，工業(yè)以太網(wǎng)考慮設(shè)備投資有效性（Cost-efficiency），以保護(hù)用戶的投資。表現(xiàn)為設(shè)備一次性投資略高，使用成本、學(xué)習(xí)成本和維護(hù)成本低，備件供應(yīng)期長（一般為10年以上），設(shè)備升級換代須保持兼容性，并使用模塊化結(jié)構(gòu)以降低備件置存成本。
　　
　　三、工業(yè)以太網(wǎng)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用
　　
　　使用工業(yè)以太網(wǎng)組成發(fā)電廠的設(shè)備層與控制層網(wǎng)絡(luò)，能有效提高網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，使不同廠家的設(shè)備進(jìn)行無縫地互聯(lián)，使分散控制和集中控制組合自如。
　　
　　發(fā)電廠設(shè)備網(wǎng)絡(luò)一般包括以下幾類子網(wǎng)：
　　
　　■機(jī)組DCS內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)：用于DCS的操作層和控制層網(wǎng)絡(luò)；
　　
　　■輔機(jī)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)：構(gòu)成水網(wǎng)、煤網(wǎng)、灰網(wǎng)，以及輔機(jī)集控網(wǎng)絡(luò)；
　　
　　■廠用電保護(hù)聯(lián)網(wǎng)：微機(jī)保護(hù)裝置的聯(lián)網(wǎng)；
　　
　　■電廠監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）網(wǎng)絡(luò)；
　　
　　■數(shù)字化工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)；
　　
　　發(fā)電廠網(wǎng)絡(luò)應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計，采用統(tǒng)一的網(wǎng)管軟件來監(jiān)視與控制網(wǎng)絡(luò)端口流量，并根據(jù)實際系統(tǒng)進(jìn)行帶寬計算，以避免帶寬浪費和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備投資浪費。
　　
　　帶寬計算方法：
　　
　　工業(yè)控制數(shù)據(jù)幀單位為64byte.
　　
　　說明：（每個數(shù)據(jù)包＝64byte數(shù)據(jù)幀+8byte幀前置位+12byte幀間隙）　　
　　網(wǎng)絡(luò)負(fù)載：
　　
　　假定：某控制系統(tǒng)中，共有8000個I／O點（包括DI，DO，AI，AO及脈沖量）
　　
　　極限情況下，每個I／O用一條命令讀寫，即8000數(shù)據(jù)包
　　
　　在工控通訊中，每一條通訊命令，都需要回送確認(rèn)，即8000×2＝16000數(shù)據(jù)包
　　
　　假設(shè)上位機(jī)采樣周期為0.5s,即16000／0.5s＝32000數(shù)據(jù)包/s
　　
　　采用100M交換式網(wǎng)絡(luò)，半雙工通訊。則控制系統(tǒng)統(tǒng)總帶寬為：
　　
　　100Mbps×32000數(shù)據(jù)包／148809包＝21.5Mbps
　　
　　該系統(tǒng)只需22Mbps帶寬。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為：32000／148809＝221.5%
　　
　　考慮工控通訊的回送確認(rèn)，即基本上是對稱網(wǎng)絡(luò)，則
　　
　　100M全雙工通訊方式下，該控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為：32000／148809／2＝10.75%
　　
　　實時性說明：
　　
　　計算機(jī)控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間由以下三方面決定：
　　
　　1）上位機(jī)軟件的響應(yīng)時間；2）網(wǎng)絡(luò)傳輸時間；3）控制器的響應(yīng)時間；
　　
　　其中，網(wǎng)絡(luò)傳輸時延是網(wǎng)絡(luò)實時性的主要指標(biāo)。
　　
　　網(wǎng)絡(luò)實時性影響：系統(tǒng)響應(yīng)時間、采樣周期、系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及事件分辨率等等。影響網(wǎng)絡(luò)實時性的因素有：
　　
　　●包傳輸時延；
　　
　　●包轉(zhuǎn)發(fā)時延；
　　
　　●線路傳輸時延；
　　
　　包傳輸時延：　　
　　包轉(zhuǎn)發(fā)時延：　　
　　性能*的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)對于一個Ethernet數(shù)據(jù)的交換轉(zhuǎn)發(fā)時延僅為10-30微秒；
　　
　　而一般民用以太風(fēng)交換機(jī)的包轉(zhuǎn)發(fā)時延為2-3毫秒，為工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)百倍。線路傳輸時延可以忽略不計
　　
　　在100M網(wǎng)絡(luò)情況下，50個工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)串聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)傳輸時延為：
　　
　　50×（5.76微秒+10微秒）＝788微秒＜1毫秒。
　　
　　即50個交換機(jī)串聯(lián)時，以太網(wǎng)傳輸仍能夠保證小于1ms的事件分辨率
　　
　　由此可見，在實時性方面，工業(yè)以太網(wǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于民用以太網(wǎng)。
　　
　　四、工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用中的注意事項
　　
　　網(wǎng)絡(luò)安全性：
　　
　　目前工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)把傳統(tǒng)的3層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（即信息管理層、監(jiān)控執(zhí)行層、過程控制層）合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸速度更快、實時性更高，同時它可以接入Internet，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，使工廠率地運作，但與此時同時也引入了一系統(tǒng)列的網(wǎng)絡(luò)安全問題。
　　
　　對此，一般可采用網(wǎng)絡(luò)隔離的辦法。如采用虛擬局域網(wǎng)（VLAN,VirtueLocalAreaNetwork）技術(shù)將內(nèi)部不同的控制網(wǎng)絡(luò)分開；采用網(wǎng)關(guān)或路由器將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)分開。
　　
　　因此，工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)能支持VLAN。在工業(yè)企業(yè)骨干網(wǎng)應(yīng)用中，還應(yīng)具備路由功能。
　　
　　遠(yuǎn)距離傳輸：
　　
　　在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，生產(chǎn)裝置一般都比較復(fù)雜，各測量和控制儀表的空間分布比較分散，彼此間的距離較遠(yuǎn)，有時設(shè)備與設(shè)備之間的距離長達(dá)數(shù)公里。
　　
　　由于以太網(wǎng)的傳輸速率比較高（10、100、1000Mb/s）,考慮到信號沿總線傳播時的衰減速與失真等因素，以太網(wǎng)協(xié)議（IEEE802.3協(xié)議）中對傳輸系統(tǒng)的要求作了詳細(xì)的規(guī)定，如每一段雙絞線的長度不得超過100m；使用同軸細(xì)纜時每段的zui大長度為185m；使用同軸粗纜時每段的zui能大長度為500m；對于距離較長的終端設(shè)備，可使用光纖介質(zhì)進(jìn)行連接。
　　
　　由于使用同軸電纜不能進(jìn)行全雙工通信，故工業(yè)現(xiàn)場一般都采用雙絞線或光纖作為傳輸介質(zhì)。光纖傳輸?shù)乃p小，能夠適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳輸，且光纖傳輸具有較好的電磁兼容性，可以大大提高工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的抗*力和可靠性。通過光纖連接，各控制域交換機(jī)的安裝位置可選擇在靠近現(xiàn)場設(shè)備的地方，交換機(jī)到現(xiàn)場設(shè)備之間則有用屏蔽雙絞線。
　　
　　五、結(jié)束語
　　
　　采用工業(yè)以太網(wǎng)作為電廠管理一體化的網(wǎng)絡(luò)平臺，可以實現(xiàn)管理網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，使管理層可以直接訪問到控制層的實數(shù)據(jù)，使企業(yè)滿足快速變的生產(chǎn)狀態(tài)和市場競爭的需要。