屈會(huì)玉

摘要:隨著以太網(wǎng)的迅速發(fā)展，其已成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。油井管理作為油田生產(chǎn)管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，距離中控室較遠(yuǎn)的油井便利用以太網(wǎng)進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)井口與監(jiān)控工作站的通信。本文簡(jiǎn)單介紹了以太網(wǎng)應(yīng)用于工控領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)利用以太網(wǎng)進(jìn)行油田通信的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞: 以太網(wǎng);無線通信;工控領(lǐng)域

1 以太網(wǎng)概述

以太網(wǎng)是IEEE802.3所支持的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，最早由Xerox公司開發(fā)，DEC公司、Intel公司和Xerox公司聯(lián)合擴(kuò)展，成為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。按照ISO開放系統(tǒng)互連參考模型的7層結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只定義了鏈路層和物理層。作為一個(gè)完整的通信系統(tǒng)，它需要高層協(xié)議的支持。以太網(wǎng)的媒介訪問控制協(xié)議(CSMA/CD)有無法預(yù)見的延遲特性:節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道，只有發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)，才能發(fā)送信息;如果信道忙碌則需要等待。信息開始發(fā)送后，還需要檢查是否發(fā)生碰撞，信息如發(fā)生碰撞，等待一段隨機(jī)長(zhǎng)度的時(shí)間后重新發(fā)送。16次碰撞后，控制器將停止發(fā)送并向節(jié)點(diǎn)微處理器回報(bào)失敗信息。以太網(wǎng)的這種機(jī)制導(dǎo)致了非確定性的產(chǎn)生。因?yàn)樵谝幌盗信鲎埠?，?bào)文可能會(huì)丟失，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信將無法得到保障，從而使控制系統(tǒng)需要的通信確定性和實(shí)時(shí)性難以保證。這也正是長(zhǎng)期阻礙以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的主要障礙。

2 以太網(wǎng)應(yīng)用于工控領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的緊密結(jié)合，促使傳統(tǒng)控制系統(tǒng)向現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。以太網(wǎng)和TCP/IP也隨著控制技術(shù)與信息技術(shù)的結(jié)合進(jìn)入到過程控制領(lǐng)域。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面。

成本低和技術(shù)支持廣泛。以太網(wǎng)已被使用多年，具有大量的軟、硬件資源和開發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品均提供以太網(wǎng)接口，目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格只有Profibus,FF等現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡的1/l0，而且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格還會(huì)進(jìn)一步下降。以太網(wǎng)有豐富的軟、硬件支持，有大量從事開發(fā)和維護(hù)的技術(shù)人員。

通信速率高。以太網(wǎng)發(fā)展速度，從lOMbPs, 100MbPs己發(fā)展到千兆以太網(wǎng)。由于高速以太網(wǎng)的幀格式不變，使之向下兼容，升級(jí)成本低，因此以太網(wǎng)是理想的高性能網(wǎng)絡(luò)載體。

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。在以太網(wǎng)上使用TCP/IP，其開放性可以使測(cè)控網(wǎng)和信息網(wǎng)統(tǒng)一起來?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)可以在企業(yè)的Intranet上及時(shí)發(fā)布和共享，還可以在Internet/Intranet的任何位置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備進(jìn)行在線控制、功能組態(tài)以及遠(yuǎn)程診斷等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)真正意義上的開放性和互操作性。

可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｓ捎谝蕴W(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和大量的技術(shù)投入;并且，在這信息瞬息萬變的時(shí)代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程序上依賴于一個(gè)快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。

因此，如果工業(yè)控制領(lǐng)域采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以避免現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)游離于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外，從而使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和一般網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進(jìn)，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(jí)方面無需單獨(dú)的研究投入。這一點(diǎn)是任何現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)所無法比擬的。

3基于以太網(wǎng)的油田監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)分成三級(jí)，即現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、監(jiān)控級(jí)和管理級(jí)。抽油機(jī)、注水終端、自動(dòng)計(jì)量終端等RTU為該系統(tǒng)的最底層，構(gòu)成了系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，完成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集、應(yīng)急處理、數(shù)據(jù)傳送、狀態(tài)反饋和故障報(bào)警等。中心控制室建立在采油小隊(duì)里，其完成對(duì)該小隊(duì)管轄內(nèi)的所有抽油機(jī)、計(jì)量站的油、水井終端和自動(dòng)計(jì)量的參數(shù)設(shè)置，現(xiàn)場(chǎng)各類控制信息的采集、儲(chǔ)存、分析、診斷，可即時(shí)監(jiān)測(cè)和控制所有遠(yuǎn)程終端，其構(gòu)成了系統(tǒng)的監(jiān)控級(jí)。采油廠和作業(yè)區(qū)通過撥號(hào)方式登錄數(shù)據(jù)服務(wù)器，構(gòu)成系統(tǒng)的管理級(jí)，實(shí)現(xiàn)向企業(yè)決策者提供及時(shí)、可靠的油井信息，幫助決策者對(duì)油藏工程、采油工程、地面工程和生產(chǎn)管理等各方面進(jìn)行量的分析和論證，從而對(duì)油井開發(fā)做出科學(xué)的決策。整套系統(tǒng)采用基于PC的控制方式，使用Windows 2000/NT作為操作系統(tǒng)，使用TCP/IP作為通信協(xié)議，以太網(wǎng)向下延伸直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信。

3.2 系統(tǒng)的硬件

目前，在其他已建立的油田監(jiān)控系統(tǒng)中，基本上都是采用專用總線傳輸數(shù)據(jù)，而油井的傳輸大都采用數(shù)傳電臺(tái)，這樣，系統(tǒng)的硬件費(fèi)用非常昂貴，整個(gè)系統(tǒng)沒有良好的開放性，并且傳輸速率較低。鑒于以太網(wǎng)已在信息領(lǐng)域普遍使用，價(jià)格相對(duì)便宜，而且工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展也日趨成熟，目前己有多種以太網(wǎng)控制器進(jìn)入市場(chǎng)。我們采用以太網(wǎng)控制器作為RTU，以太網(wǎng)作為低層控制網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。在基于以太網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)中，我們以美國(guó)Optimation公司的OptiLogic以太網(wǎng)RTU(lOMbps)作為油井和計(jì)量站數(shù)據(jù)采集及操作控制的智能終端設(shè)備，選用臺(tái)灣Macromate公司的無線以太網(wǎng)路由器和無線以太網(wǎng)橋作為采油小隊(duì)與油井之間的無線通信設(shè)備，它采用直擴(kuò)DSSS的傳輸方式，速率可達(dá)11Mbps，支持TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。工作頻段為2.4GHz ISM自由頻段，該范圍是不受無線電管理委員會(huì)限制的頻道。同時(shí)，這種頻率段不易受干擾影響。

通過井口架設(shè)定向天線和采油小隊(duì)架設(shè)全向天線，就可實(shí)現(xiàn)井口與監(jiān)控工作站的通信。姊妹井共用一套R(shí)TU及無線通信設(shè)備，6#RTU因?yàn)殡x中控室較近，用同軸細(xì)纜通過HUB與交換機(jī)相連，計(jì)量站與小隊(duì)間采用線纜方式連接。中控室的交換機(jī)將監(jiān)控工作站和各路設(shè)備連接起來。通過交換機(jī)的VLAN(虛擬局域網(wǎng))功能，將監(jiān)控工作站和其他端口之間分別設(shè)為VLAN,減少了不必要的廣播流量和數(shù)據(jù)沖突。

無線以太網(wǎng)。利用MAP811和MAP811E組成的WLAN包括接入點(diǎn)和站，只有AP和站之間才能通信。通過架設(shè)的天線便可進(jìn)行通信。MAP811和MAP811E都帶有與工EEE802.3有線局域網(wǎng)的接口，可以讓無線終端同有線局域網(wǎng)通信。

無線局域網(wǎng)技術(shù)正得到快速的發(fā)展和應(yīng)用。與有線網(wǎng)絡(luò)相比，WLAN具有安裝便捷、移動(dòng)性好、使用靈活、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，可以為不易布線的地方和遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持。對(duì)于ISM波段的通信機(jī)來說，只要功率及帶外輻射滿足要求，使用者無須向無線電管理部門申請(qǐng)使用許可證，在中國(guó)先后開放2.4G和5.8G作為ISM頻點(diǎn)。系統(tǒng)中采用的Macromate公司的MAP811和MAP811E符合IEEE802.11無線局域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它在MAC層采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免技術(shù)(CSMA/CA)來控制傳輸介質(zhì)，一方面載波監(jiān)聽查看介質(zhì)是否空閑，當(dāng)介質(zhì)被監(jiān)聽到空閑時(shí)，則優(yōu)先發(fā)送；另一方面，通過隨機(jī)的等待時(shí)間，使訪問沖突發(fā)生的概率盡可能的小。

以太網(wǎng)RTU。監(jiān)控系統(tǒng)中采用的RTU是美國(guó)Optimation公司的OptiLogic以太網(wǎng)控制器，在控制器基架上可任意拼裝各種輸入輸出模塊，如開關(guān)量輸入DI、開關(guān)量輸出DO、模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、脈沖計(jì)數(shù)輸入PI、串口RS-232C等模塊，配置非常靈活而且結(jié)構(gòu)緊湊、易于擴(kuò)展。

RTU基架需外接24VDC開關(guān)電源(0.7A以上)，基架上提供RJ45以太網(wǎng)接口和RJ12串口RS-232C接口各一個(gè)，分別用于以太網(wǎng)(lOMbps)通訊連接和串行通訊(RS-232C或RS485/422轉(zhuǎn)換接口)連接智能儀表。

OptiLogic RTU可以設(shè)在系統(tǒng)任何地方的接口點(diǎn)上，它們將通過以太網(wǎng)鏈接到主監(jiān)控PC機(jī)而進(jìn)行通訊，一個(gè)系統(tǒng)可以很容易地由1到99臺(tái)RTU合并組成，多于99臺(tái)的RTU可以通過某種擴(kuò)展配置得到解決。

主監(jiān)控PC機(jī)將通過以太網(wǎng)通訊鏈路與每臺(tái)RTU進(jìn)行通訊，鏈接的數(shù)據(jù)速率達(dá)到lOMbps在這種速率下，即便是一個(gè)很大的系統(tǒng)在主機(jī)和RTU之間傳送所有需要的數(shù)據(jù)也僅僅是毫秒級(jí)的時(shí)間。借助這種通訊方式，可以在中央PC機(jī)上實(shí)時(shí)地監(jiān)控距離超過數(shù)公里的大型系統(tǒng)。為確保以太網(wǎng)通訊，將OptiLogicRTU連接到基于PC的控制系統(tǒng)時(shí)采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)連接。

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