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现场总线大作业

现场总线网络应用及技术实现

——基于以太网的现场总线在工控网络中应用

姓名：

殷文杰

学院：

电力学院

专业：

自动化

学号：

201110426

基于以太网的现场总线在工控网络中的应用

摘要：

由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。

加上现场总线在工控网络中的便捷性、统一性，从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，基于以太网的现场总线在制造执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。

未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。

关键字：

现场总线、工业以太网、工控网络

目录

摘要

1现场总线概述2

1.1什么是现场总线2

1.2现场总线控制系统的优越性2

1.3现场总线的不足3

1.4现场总线发展趋势3

2工控网络4

2.1什么是工控网络4

2.2工控网络中现场总线与以太网的结合4

2.3基于以太网的现场总线已成为工业控制网络的发展方向4

3.基于以太网的现场总线在工控网络中应用（以煤矿电力监控系统为例）6

3.1系统简介6

3.2基于工业以太网加现场总线的电力监控系统的构成6

4电力监控系统的主要功能8

5结语8

4发展愿景9

基于以太网的现场总线在工控网络中应用

1现场总线概述

1.1什么是现场总线

它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。

是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。

主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

主要用于制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。

1.2现场总线控制系统的优越性

现场总线控制系统使工业过程控制发生了很大变化，它具有如下优越性：

（l）现场总线使得智能变送器中安装的微处理器能够直接与数字控制系统通信，而不要I／O转换，节约了费用；

（2）现场总线可以取代每个传感器到控制器的单独布线，减少了连线费用；

（3）现场总线可以将一些先进功能，如线性化、工程量转换以及报警处理等赋予现场总线仪表，提高了现场仪表的精度和可靠性；

（4）现场总线可提供控制装置与传感器、执行器之间的双向通信，方便了操作员与被控设备之间的交互；

（5）现场总线使得专门根据现场总线开发的现场仪表的使用成为可能，并将最终取代单变量模拟仪表，减少了仪表的购置、安装与维修费用；

（6）现场总线的开放性将使用户有可能对备仪表厂商的产品任意进行选择，井组成系统，而不必考虑接口是否匹配。

1.3现场总线的不足

图1现场总线控制系统结构图

现场总线有其突出的优点，但也有其明显的不足之处，主要表现在以下两点

（l）现场总线没有单一的国际标准

各类现场总线制定了各自不同的体系结构和标准。

而经14年的纷争， 2000年初8种现场总线成为IEC现场总线国际标准子集。

这一结果令人失望，也违背了制定世界上单一现场总线标准的初衷。

尽管基金会现场总线试图推出中立和公正、防止任何技术垄断、广泛性的体系结构和标准，但至今仍有一些标准未能取得一致通过，并且迟迟未见产品问世。

现场总线真正实现开放性任重而道远。

在这种情况下，多种现场总线并存，共存于一个系统已成为客观事实。

（2）现场总线的系统开发困难，开放性有一定的局限性

FF，LonWorks，CAN等现场总线均有自己的协议，要构成一个控制系统，必须采用相应的开发工具、平台、软件包。

这需要较昂贵的代价，往往只有开发商、研究机构才能有这类开发工具，一般用户则无能为力。

这说明现场总线的开放性仍有一定的局限性。

许多技术人员正致力于现场总线图形化节点软件开发工具的研究工作。

当现场总线由于以上不足而停滞不前时，人们开始寻找新的出路，以太网进入了人们的视线。

1.4现场总线发展趋势

从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：

一是寻求统一的现场总线国际标准

二是IndustrialEthernet走向工业控制网络

统一、开放的TCP/IPEthernet是20多年来发展最成功的网络技术，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。

事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（EthernetforProcessAutomation）也取得了很大的进展。

随着FFHSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。

2工控网络

2.1什么是工控网络

工控指的是工业自动化控制,主要利用电子电气、机械、软件组合实现。

即是工业控制（Factorycontrol），或者是工厂自动化控制（FactoryAutomationcontrol）。

主要是指使用计算机技术，微电子技术，电气手段，使工厂的生产和制造过程更加自动化、效率化、精确化，并具有可控性及可视性。

2.2工控网络中现场总线与以太网的结合

以太网TCP/IP

FCS

网关

高速现场总线

耦合器

2.3基于以太网的现场总线已成为工业控制网络的发展方向

以以太网为代表的COTS（commercialofftheshelf）信息网络通信技术却以其协议简单、完全开放、稳定性和可靠性好而获得了全球的技术支持。

与现场总线相比,以太网具有以下优点:

（1）应用广泛

Ethernet的应用开发,如Java,VisualC以太网是目前应用最为广泛的计算机网技术,受到广泛的技术支持。

几乎所有的编程语言都支持++及VisualBasic等。

这些编程语言由于广泛使用,并受到软件开发商的高度重视,具有很好的发展前景。

因此,如果采用以太网作为现场总线,可以保证多种开发工具、开发环境供选择。

（2）成本低廉

由于以太网的应用最为广泛,因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持,有多种硬件产品供用户选择。

而且由于应用广泛,硬件价格也相对低廉。

目前以太网网卡的价格只有Profibus,FF等现场总线的十分之一,并且随着集成电路技术的发展,其价格还会进一步下降。

（3）通信速率高

数据传输率很高。

以太网支持的数据传输速率包括10MbS，100MbPS和IGfoS，比目前任何一种现场总线都快；以太网从扁平的总线共享模式发展到结构化的交换模式后，任意终端之间的通信通过交换机实现透明的转发，由于每个端口都是独立的冲突域（CollisionDomain），不存在信道共享引起的竞争问题，系统的通信容量成倍增加。

相同通信量的条件下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而网络负荷的减轻则意味着提高确定性。

（4）软硬件资源丰富

由于以太网已应用多年,人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验,对其技术也十分熟悉。

大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用,从而可以显著降低系统的整体成本,并大大加快系统的开发和推广速度。

（5）可持续发展潜力大

由于以太网的广泛应用,使它的发展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。

并且,在这信息瞬息万变的时代,企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络,信息技术与通信技术的发展将更加迅速,也更加成熟,由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。

（6）易于与Internet连接,能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成

（7）Web技术和以太网技术的结合，将实现生产过程的远程监控、远程设备管理、远程软件维护和远程设备诊断。

（8）以太网支持多种传输介质，包括同轴电缆、双绞线、光缆、无线等，使用户可根据带宽、距离、价格等因素作多种选择。

以太网支持总线型和星型拓扑结构，可扩展性强，同时可采用多种冗余连接方式，提高网络的性能。

因此,工业控制网络采用以太网,就可以避免其发展游离于计算机网络技的发展主流之外,从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进,共同发展,并保证技术上的可持续发展,在技术升级方面无需单独的研究投入。

诚然,以太网由于采用了CSMA/CD介质访问控制机制,各个节点采用BEB（binaryexponentialback2off）算法处理冲突,具有排队延迟不确定的缺陷,无法保证确定的排队延迟和通信响应确定性,使之无法在工业控制中得到有效的使用。

3.基于以太网的现场总线在工控网络中应用（以煤矿电力监控系统为例）

3.1系统简介

煤矿供电质量对矿井安全和正常生产有着直接影响，随着采煤机械化程度的提高，煤矿供配电系统运行的可靠性和合理性显得更为重要。

完善的电力监控系统可以有效地保证井下电网的安全运行，并能实现供电的“移峰填谷”，给煤矿带来巨大的社会和经济效益。

电子信息技术、自动化技术和网络技术的迅速发展，使工业以太网+现场总线的控制网络结构得到广泛应用。

本文基于现场总线技术，充分利用计算机网络技术和先进的通信、控制方式，建立一套技术先进、功能完整、管理简便的煤矿电力监控系统，整个系统较传统的集中监测系统性能大大增强，功能更为完善。

系统采用工业以太环网，主干网络采用光纤传输，在物理和逻辑上考虑到网络信道的冗余，确保网络通路的安全。

系统采用嵌入式计算机，对井下用电设备的电力参数进行实时采集、处理，同时对设备的运行状况进行实时监视，设备出现异常时可以进行远程控制操作。

本系统的建立，可对地面及井下电力系统中设备运行状态和参数进行远程监测监控，将设备使用累计数据如电度报警等信息通过报表、图形等方式输出，为设备的合理和安全使用提供依据；能变电室所各高、低压开关的电力参数进行采集、测量与控制，实现对开关的遥信、遥测、遥调、遥控与遥视，提高井下变电所的自动化程度。

3.2基于工业以太网加现场总线的电力监控系统的构成

根据系统功能需要，本系统采用工业以太网加现场总线的结构模式，由监控计算机、变电所监控站、综合保护单元等组成，采用三层结构，第一层为监控计算机，第二层为电力监控站，第三层为智能隔爆高压开关。

系统主干信道是光纤以太环网到各变电所，通过网络交换机的数据接口将变电所开关数据接入主传输系统；在变电所内安装电力监控站，采用现场总线RS一485方式采集变电所开关设备的运行参数和状态，实现就地集中数据监测和设备控制的功能，主站对采集到的信息进行处理，集中上传到系统主机。

系统后台将来可以网络方式将数据传输到全矿井综合自动化平台，实现数据共享和网络发布。

系统总体结构如图1所示。

井下变电所内开关设备的运行参数和状态通过综合保护单元采集并输出，电力监控站和开关综合保护单元之间采用RS一485（隔爆设备信号输出通过安全隔离器作本安隔离处理），变电所的电力参数数据通过以太网传输到电力监控系统后台

3.21系统后台

电力监控系统后台配置两台电力监控计算机，一台主机，一台备用机，采用双机热备用方式，充分保证系统运行安全、可靠主机正常工作时，监控主机和备用机之间能进行数据交换，若监控主机工作异常时，备用机立即执行主机功能向各个变电所发送读取数据指令，并提示用户当前的故障信息。

系统信息可通过OPC接口接入全矿井自动化系统或通过web在局域网发布。

3.22地面变电所

地面35kV变电所高压柜采用微机保护，对本条线路的电力数据进行采集和计算，并上传数据；设置一台KJF88矿用一般型电力监控站，与微机保护进行通信，能将监测数据就地显示并上传给监控系统主机，可实现32路出线同时监测。

KJF88型电力监控主站以嵌入式工控机为核心部件，基于windows操作系统，有超强的数据采集和丰富的图形处理功能，具有极高的可靠性和稳定性。

主站内配有嵌入式视频服务器，可接人两路视频输入，将其转换为MPEG4格式通过以太网上传，配合数据监控可实现变电所的无人职守。

主站具有多种接口方式：

以太网光接口、以太网本安电接口、本安RS一485接口，使联网和设备接人更加灵活方便。

3.23屏幕显示系统

通过大屏幕投影拼接系统，可以实时观看与监控调度有关的各种信息，包括GIS电子地图、实时视频监控信号、各种管理信息系统数据、各种历史数据图像以及电脑、电视、实物投影仪、DVD等信号源的信息和计算机网络信息等多种信息，可随时对各种现场信号和各类计算机图文信号进行多画面显示和分析，及时做出判断和处理，发布调度指令，实现实时监控和集中调度。

3.3电力监控系统的主要功能

3.31数据采集及统计

1）系统能够实时采集遥测量（电压、电流、功率、功率因数、电度等）与遥信量（断路器刀闸位置、保护自动装置动作信号等）数据。

2）进行电压等测量值的越限判别，系统及线路负荷率统计等。

3）使用系统报表工具完成所需日报、月报或指定时段的报表制作、显示及打印功能。

4）利用系统图形工具制作接线图、功率总加图、负荷曲线图、保护配置图等，用以完成对井下电网及设备的监视、控制。

3.32自动化信息采集及事件顺序记录

1）接收监控站上传的运行信息及变电所内其它变化信息。

2）查询并远方整定微机保护装置，记录保护装置动作信息及保护信号远方复归。

3）记录继电保护、自动装置和断路器动作的时间，便于事故分析。

3.33控制、调节及运行报警功能

1）控制、调节功能：

包括操作人员的身份及权限检查、选择控制或调节对象、遥控和遥调信息预发、终端校核、遥控和遥调执行或撤消、记录操作过程等。

2）运行报警功能：

在系统用户预先定义的情况下，对系统中的故障或不正常状态发出提示报警信号，不同类别的信息可以设定不同的报警优先权和不同的报警方式。

3.4结语

综上所述，基于现场总线的煤矿电力系统监控系统在以下几个方面性能优越、优势明显：

1）先进性：

系统设计有多种通讯接口，充分考虑到系

统的扩展和兼容。

2）实用性：

具有监控信息收集、处理、查询、统计、分析等功能，实现煤矿供电系统的远程监控和井下变电所的无人值守；系统既可以独立运行也可以采用OPC方式与全矿自动化监控系统连接。

3）可靠性：

在硬件设计和选型、软件环境和应用系统的建设中充分体现系统在特殊环境下使用的可靠性。

4）扩展性：

预留软硬件接口资源，方便以后电力系统的扩展。

当增加变电所监控时，只需增加少量低层设备，简单修改软件设置即可，同时通信网络还可为其它通信系统提供通信通道。

总之，本系统具有通讯技术先进、功能丰富实用、性能安全可靠以及可扩展性强等优势，必将在煤矿电力系统运行监控和数据采集、统计方面发挥重要作用。

4发展愿景

随着IT技术的发展,以太网的发展也取得了本质的飞跃,先后产生了高速以太网（100M）和千兆以太网产品和国际标准,10G以太网也在研究之中。

针对以太网的排队延迟不确定性,以太网又增加了全双工通信技术、交换技术、信息优先级等来提高实时性,并改进了容错技术。

其中交换式以太网避免了交换机各端口之间的碰撞,全双工通信又避免了各节点发送和接收报文之间的冲突,从根本上解决了以太网通信传输延迟存在不确定性的问题。

更为重要的是,广大工控专家通过研究发现,通信负荷在30%以下时,10M以太网的通信响应实时性要好于215M的ARCnet（一种曾被广泛用于工业控制网络的令牌总线）。

而负荷在10%以下时,以太网几乎不发生碰撞,或者说,因碰撞而引起的传输延迟几乎可以忽略不计。

另一方面,在工业控制网络中,传输的信息多为周期性测量和控制数据,报文小,信息量少,信息流向也具有明显的方向性,变送器传向控制器;由控制器传向执行机构。

在拥有6000个I/O的典型工业控制系统中,通信负荷为10M以太网的5%左右,即使有操作员信息传输（如设定值的改变,用户应用程序的下载等）,10M以太网的负荷也完全可以保持在10%以下。

因此,通过采用适当的系统设计和流量控制技术,以太网完全能用于工业控制网络。

事实也是如此,20世纪90年代中后期,国内外各大工控公司纷纷在其控制系统中采用以太网,推出了基于以太网的DCS,PLC、数据采集器,以及基于以太网的现场仪表、显示仪表等产品。

基于以太网的现场总线应为用于工业控制网络发展的首选。

参考文献

[1]陈在平,岳有军.工业控制网络与现场总线技术.机械工业出版社，2006

[2]成继勋．现场总线标准的现状及展望．计算技术及自动化（中南六省自动化学术年会论文集），1999．11：

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[3]李正军.现场总线及其应用技术.机械工业出版社，2005

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