工業以太網在火力發電廠的應用

　　一、引言
　　
　　計算機和網絡技術的發展，引發了工廠自動化領域的深刻技術變革。控制系統結構向網絡化、開放性方向發展已成為技術發展的主流趨向。以太網（Ethernet）作為目前在管理信息系統（MIS）中應用的局域網技術，在工廠自動化和過程控制領域也得到了越來越多的應用。
　　
　　近年來，工業以太網技術的出現*改變了傳統工業企業的設備網絡架構，它使以太網的應用能夠從工廠信息層向下延伸到控制和設備層，建立起一個統一標準、可靠互聯的網絡平臺，從而消除所謂的"自動化孤島"，實現企業內部從下至上的快速信息流動（即所謂"透明工廠"）。
　　
　　越來越多的企業開始從過程控制數據中提煉信息，來實現企業智能化解決方案，并將其融入到企業內業或者外部的管理運營系統中。
　　
　　二、工業以太網與民用以太網的區別
　　
　　事實上，工業以太網除了在協議標準上與民用以太網相同（都遵從IEEE802.3）之外，其他方面則有些差異。由于是專為工業數據傳輸通訊而設計，所以工業以太網更像是現場總線，或者數據傳輸網。表現在以下幾個方面：
　　
　　■網絡拓撲結構：
　　
　　民用太網多采用星型，其目的是分層和集中，設備端口數量大。
　　
　　工業以太網則采用總線或環形，其目的是分布式系統的互聯，設備端口數量少，總線或環形拓撲結構，具有網絡可擴展性好、施工方便等優點：
　　
　　■環境耐受力：
　　
　　■民用以太網多用于辦公環境，設備所處環境良好，無需考慮環境耐受力。
　　
　　工業以太網必須能適應在惡劣環境下不間斷運行，且須通過嚴格的工業標準測試。（包括：濕熱、腐蝕、鹽霧、強電磁干擾）
　　
　　■可靠性：
　　
　　工業現場的機械振動、氣候（包括溫度、濕度）、塵埃、腐蝕、電磁干擾等條件非常惡劣，因此對網絡設備的可靠性提出了更高的要求。在基于以太網的控制系統中，網絡成為關鍵性設備，系統和網絡的結合使得可靠性成了自動化設備制造商的設計重點。高可靠重負荷設計的工業以太網能地滿足這種要求。
　　
　　工業以太網設備必有適應長時間不間斷運行，為此產品是按照PLC／DCS等工業控制設備的標準進行設計的：無散熱風扇等機械轉動部件；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，工業以太網設備采用DC24V外部直流電源雙路冗余供電，
　　
　　為了避免線路傳輸干擾，工業以太網使用光纖作為長距離傳輸介質，因此工業以太網設備須內置光纖介質接口，如：多模光纖接口或單模光纖接口。
　　
　　■可恢復性：
　　
　　所謂可恢復性，是指當網絡系統中任一設備或網段發生故障而不能正常工作時，系統能依靠事先設計的自動恢復程序將斷開的網絡重新鏈接起來，并將故障進行隔離，以使任一局部故障不會影響整個系統的正常運行，也不會影響生產裝置的正常生產。
　　
　　工業以太網通常使用光纖環網作為鏈路冗余，鏈路故障時，自愈時間＜1秒。以此保證網絡系統的不間斷運行。
　　
　　■實時性：
　　
　　為了保證工業數據傳輸的實時性，工業以太網使用低傳輸時延的交換設備，性能好的工業以太網設備，其傳輸時延是民用以太網設備的千分之幾。這一指標甚至高于SDH或ATM等傳輸網。
　　
　　■確定性：
　　
　　傳統的共享以太網使用集線器（HUB）作為網絡連接設備，屬于不確定性傳輸網絡，不能滿足實時數據的傳輸服務質量（QoS）要求。工業以太網使用交換機（Switch），并具有端口優先級設置，因而能保證實時數據傳輸的確定性
　　
　　民用以太網當存在網絡回路時，會產生"廣播風暴"。為了避免這一現象，須采用"生成樹算法（SPT）"動態地重構網絡，故障時的網絡重構時間長（3-90秒），從而造成網絡的不確定性。而工業以太網的冗余機制有確定的邏輯斷點，因而保證了網絡結構的確定性。
　　
　　■可維護性：
　　
　　可維護性是高可用性系統zui受關注的焦點之一。工業以太網通過制造商提供的網管軟件進行故障定位和自動報警，使得故障能夠得到及時地處理；同時網管軟件還可以進行性能管理、配置管理、變化管理等內容。除此以外，工業級交換機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：
　　
　　與所有的工業設備投資一樣，工業以太網考慮設備投資有效性（Cost-efficiency），以保護用戶的投資。表現為設備一次性投資略高，使用成本、學習成本和維護成本低，備件供應期長（一般為10年以上），設備升級換代須保持兼容性，并使用模塊化結構以降低備件置存成本。
　　
　　三、工業以太網在火力發電廠的應用
　　
　　使用工業以太網組成發電廠的設備層與控制層網絡，能有效提高網絡連接的可靠性和數據傳輸的實時性，使不同廠家的設備進行無縫地互聯，使分散控制和集中控制組合自如。
　　
　　發電廠設備網絡一般包括以下幾類子網：
　　
　　■機組DCS內部網絡：用于DCS的操作層和控制層網絡；
　　
　　■輔機設備聯網：構成水網、煤網、灰網，以及輔機集控網絡；
　　
　　■廠用電保護聯網：微機保護裝置的聯網；
　　
　　■電廠監控信息系統（SIS）網絡；
　　
　　■數字化工業監視系統的現場網絡；
　　
　　發電廠網絡應統一規劃設計，采用統一的網管軟件來監視與控制網絡端口流量，并根據實際系統進行帶寬計算，以避免帶寬浪費和網絡設備投資浪費。
　　
　　帶寬計算方法：
　　
　　工業控制數據幀單位為64byte.
　　
　　說明：（每個數據包＝64byte數據幀+8byte幀前置位+12byte幀間隙）　　
　　網絡負載：
　　
　　假定：某控制系統中，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數據包
　　
　　在工控通訊中，每一條通訊命令，都需要回送確認，即8000×2＝16000數據包
　　
　　假設上位機采樣周期為0.5s,即16000／0.5s＝32000數據包/s
　　
　　采用100M交換式網絡，半雙工通訊。則控制系統統總帶寬為：
　　
　　100Mbps×32000數據包／148809包＝21.5Mbps
　　
　　該系統只需22Mbps帶寬。網絡負載為：32000／148809＝221.5%
　　
　　考慮工控通訊的回送確認，即基本上是對稱網絡，則
　　
　　100M全雙工通訊方式下，該控制系統的網絡負載為：32000／148809／2＝10.75%
　　
　　實時性說明：
　　
　　計算機控制系統的響應時間由以下三方面決定：
　　
　　1）上位機軟件的響應時間；2）網絡傳輸時間；3）控制器的響應時間；
　　
　　其中，網絡傳輸時延是網絡實時性的主要指標。
　　
　　網絡實時性影響：系統響應時間、采樣周期、系統穩定性，以及事件分辨率等等。影響網絡實時性的因素有：
　　
　　●包傳輸時延；
　　
　　●包轉發時延；
　　
　　●線路傳輸時延；
　　
　　包傳輸時延：　　
　　包轉發時延：　　
　　性能*的工業以太網交換機對于一個Ethernet數據的交換轉發時延僅為10-30微秒；
　　
　　而一般民用以太風交換機的包轉發時延為2-3毫秒，為工業以太網的數百倍。線路傳輸時延可以忽略不計
　　
　　在100M網絡情況下，50個工業以太網交換機串聯，網絡傳輸時延為：
　　
　　50×（5.76微秒+10微秒）＝788微秒＜1毫秒。
　　
　　即50個交換機串聯時，以太網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，工業以太網遠遠高于民用以太網。
　　
　　四、工業以太網應用中的注意事項
　　
　　網絡安全性：
　　
　　目前工業以太網已經把傳統的3層網絡系統（即信息管理層、監控執行層、過程控制層）合成一體，使數據的傳輸速度更快、實時性更高，同時它可以接入Internet，實現了數據的共享，使工廠率地運作，但與此時同時也引入了一系統列的網絡安全問題。
　　
　　對此，一般可采用網絡隔離的辦法。如采用虛擬局域網（VLAN,VirtueLocalAreaNetwork）技術將內部不同的控制網絡分開；采用網關或路由器將內部網絡與外部網絡分開。
　　
　　因此，工業以太網應能支持VLAN。在工業企業骨干網應用中，還應具備路由功能。
　　
　　遠距離傳輸：
　　
　　在工業生產現場，生產裝置一般都比較復雜，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，有時設備與設備之間的距離長達數公里。
　　
　　由于以太網的傳輸速率比較高（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，以太網協議（IEEE802.3協議）中對傳輸系統的要求作了詳細的規定，如每一段雙絞線的長度不得超過100m；使用同軸細纜時每段的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備，可使用光纖介質進行連接。
　　
　　由于使用同軸電纜不能進行全雙工通信，故工業現場一般都采用雙絞線或光纖作為傳輸介質。光纖傳輸的衰減小，能夠適應遠距離傳輸，且光纖傳輸具有較好的電磁兼容性，可以大大提高工業網絡的抗*力和可靠性。通過光纖連接，各控制域交換機的安裝位置可選擇在靠近現場設備的地方，交換機到現場設備之間則有用屏蔽雙絞線。
　　
　　五、結束語
　　
　　采用工業以太網作為電廠管理一體化的網絡平臺，可以實現管理網絡與控制網絡的無縫連接，使管理層可以直接訪問到控制層的實數據，使企業滿足快速變的生產狀態和市場競爭的需要。