工業以太網及其在變電站自動化系統中的應用

侯樹文 金 杰 孔衛星

工業控制網絡的發展是伴隨著控制系統的變革而發展起來的。隨著計算機技術的發展,計算機被引入到控制系統,先后出現了計算機集中控制系統CCS、分散型控制系統 DCS和現場總線控制系統 FCS。

集中控制系統結構簡單,直接面對控制對象,但系統實時性、可靠性得不到保證。真正意義的工業控制網絡體系是在二十世紀八九十年代占據了主導地位的分散型控制系統 DCS(也稱為集散型控制系統),DCS將管理和控制相分離,實現“集中管理,分散控制”,有力地克服了集中式數字控制系統中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。但集散控制系統也有明顯的缺點,如多極主從結構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,通信協議不開放等。

為了克服DCS系統的技術瓶頸,出現了現場總線技術,將系統的控制功能進一步下放,順應了“智能化、數字化、信息化、網絡化、分散化”的自控技術發展主流,形成創新型的網絡集成式全分布控制系統現場總線控制系統 FCS(Fieldbus Control System)。但是 FCS標準種類過多,且各有自己的優勢和適用范圍,另外在本質安全、系統可靠性、數據傳輸速度等方面存在一些技術瓶頸。

1 工業以太網的優點

目前許多大公司的工業控制系統都是采用以太網來統一管理,而且各種現場總線也大多開發出以太網接口,因此可以說以太網已經成為工業控制領域的主要通信標準。這主要是因為以太網具有以下優點:1)應用廣泛。2)成本低廉。3)通信速率高。4)軟硬件資源豐富。5)可持續發展潛力大。

因此,如果工業控制領域以太網作為現場設備之間的通信網絡平臺,可以避免現場總線技術游離于計算機網絡技術發展的主流技術之外,從而使現場總線技術和一般網絡技術互相促進,共同發展,并保證技術上的可持續發展,在技術升級方面無需單獨的研究投入,這一點是任何現場總線技術所無法比擬的。

2 統一的網絡協議標準

以太網本身僅定義了物理介質、數據幀格式和LAN內設備的數據包的傳輸尋址方案,它相應于OSI模型的最低兩層。在其上的網絡層和傳輸層可使用TCP/IP協議,讓應用層信息在兩個設備之間傳輸,但不能保證其有效的通信。采用以太網+TCP/IP的設備廠商都有各自的應用層定義,這意味著如連到同一廠房的以太網中的設備可以物理共存,但不能實現有效的互操作,也不能保證實時控制的要求。為此要在應用層給出一個類似 FTP或HTP協議的應用層規范,使類型迥異的各種設備能擁有統一的“定義”。兩大組織 IEA(Industrial Ethernet Association)和 ODVA(Open DeviceNet Vender Association)提出并定義了一個“以太網工業協議”Ethernet/IP,它是建立在 802.3協議之上的、支持 TCP/IP和 CIP(Control＆Information Protol)的架構體系。

CIP本身是由DeviceNet和 ControlNet提出并定義的應用層協議,是專為工業控制設計的基于對象的一種方法(體系結構、數據類型、服務等),提供了訪問數據和控制設備操作的服務集合對象庫。對象庫描述了不同廠商的設備定義、標識等,使類型差別很大的設備可以直接連入網絡且被整個系統“看到”,實現即插即用。

由此看出,Ethernet/IP使工業以太網更容易地與底層充當主角的各種現場總線子系統 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信息,報文的數據段載有協議信息及其服務的性能說明,要求各個接點必須解析每個報文,執行響應的任務。其報文的長短、出現頻率有很大的變化。顯式報文是由TCP協議完成的。對實時性要求很高的信息,則使用隱式報文由UDP(用戶數據報)+IP來傳輸。

Ethernet/IP將從應用層來的 CIP報文壓縮,封裝成 TCP或UDP的幀格式,然后通過具有 Switch結構的 Ethernet發送,在接受點拆包后還原為CIP報文,交給使用者。ODVA還提供免費的設備對象庫的開發工具包和樣例,供廠家開發自己的設備對象描述。

3 標準功能模塊方式

標準化功能塊提供一個通用的結構,把實現控制系統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,規定它們各自的輸入、輸出、算法、事件、參數與塊控制圖,并把它們組成可在某種現場設備中執行的應用進程。功能塊的通用結構是實現開放系統構架的基礎,也是實現各種網絡功能與自動化功能的基礎。在 H 1和 HSE標準中,規定了犯種標準功能塊,但每種功能塊標準中,規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一,而功能塊內部的算法是由開發者設計的,為開發者保留了發揮自己產品特色或優勢的空間。

4 工業以太網在變電站自動化系統中的應用

間隔層設備直接上網正逐漸成為主流變電站通信結構,由IEC61850協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在邏輯結構上分為過程層、間隔層和站控,其中過程層包含變電站內的生產設施,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,主要負責現場數據采集、提供I/O接口等;間隔層包含測量和控制單元,負責該單元線路或變壓器的參數測量和監控,斷路器的控制和連鎖等;變電站層包含全站性的監控主機,通信及控制主機,實現管理等功能的工程師站。

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

隨著一次設備技術和網絡通信技術的不斷發展,智能開關、電子電壓/電流互感器等一次設備上網將在不久的將來成為可能,一層網絡通信結構已成為變電站內網絡通信結構的未來發展方向。兩個層次的關系如圖1所示。

5 結語

以太網所具有的低成本、全開放、傳輸速率高及應用廣泛等優點,使其在工業控制系統應用中擁有巨大的優勢,并且隨著以太網技術的不斷發展,阻礙著應用于工業控制現場的一些缺陷如通信實時性、互可操作性、網絡安全性等都已得到很大程度的改善。

通信網絡作為變電站自動化系統的關鍵,通信方式由 RS-232/485和現場總線,發展到工業以太網,雖然目前以太網全面代替現場總線應用于變電站自動化系統中還存在著一些問題,但隨著技術的發展,未來以太網將在變電站自動化系統中的現場設備之間的互連以及和信息集成中發揮越來越重要的作用。

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