小议基于以太网技术的油田监控系统

屈会玉

摘要:随着以太网的迅速发展，其已成为事实上的工业标准。油井管理作为油田生产管理的关键环节，距离中控室较远的油井便利用以太网进行无线通信，实现井口与监控工作站的通信。本文简单介绍了以太网应用于工控领域的优势，并对利用以太网进行油田通信的设计方案进行了探讨。

关键词: 以太网;无线通信;工控领域

1 以太网概述

以太网是IEEE802.3所支持的局域网标准，最早由Xerox公司开发，DEC公司、Intel公司和Xerox公司联合扩展，成为以太网标准。按照ISO开放系统互连参考模型的7层结构，以太网标准只定义了链路层和物理层。作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。以太网的媒介访问控制协议(CSMA/CD)有无法预见的延迟特性:节点监听信道，只有发现信道空闲时，才能发送信息;如果信道忙碌则需要等待。信息开始发送后，还需要检查是否发生碰撞，信息如发生碰撞，等待一段随机长度的时间后重新发送。16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。以太网的这种机制导致了非确定性的产生。因为在一系列碰撞后，报文可能会丢失，节点与节点之间的通信将无法得到保障，从而使控制系统需要的通信确定性和实时性难以保证。这也正是长期阻碍以太网进入工业控制领域的主要障碍。

2 以太网应用于工控领域的优势

控制技术与计算机及网络技术的紧密结合，促使传统控制系统向现场总线控制网络发展。以太网和TCP/IP也随着控制技术与信息技术的结合进入到过程控制领域。其优势主要体现在以下方面。

成本低和技术支持广泛。以太网已被使用多年，具有大量的软、硬件资源和开发设计经验。绝大多数网络产品均提供以太网接口，目前以太网网卡的价格只有Profibus,FF等现场总线网卡的1/l0，而且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。以太网有丰富的软、硬件支持，有大量从事开发和维护的技术人员。

通信速率高。以太网发展速度，从lOMbPs, 100MbPs己发展到千兆以太网。由于高速以太网的帧格式不变，使之向下兼容，升级成本低，因此以太网是理想的高性能网络载体。

实现网络的无缝连接。在以太网上使用TCP/IP，其开放性可以使测控网和信息网统一起来。现场信号可以在企业的Intranet上及时发布和共享，还可以在Internet/Intranet的任何位置对现场智能设备进行在线控制、功能组态以及远程诊断等，实现网络控制系统真正意义上的开放性和互操作性。

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序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。

因此，如果工业控制领域采用以太网作为现场设备之间的通信网络平台，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使现场总线技术和一般网络技术互相促进，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。这一点是任何现有现场总线技术所无法比拟的。

3基于以太网的油田监控系统整体设计

3.1系统设计方案

整个系统分成三级，即现场级、监控级和管理级。抽油机、注水终端、自动计量终端等RTU为该系统的最底层，构成了系统的现场级，完成动态数据的采集、应急处理、数据传送、状态反馈和故障报警等。中心控制室建立在采油小队里，其完成对该小队管辖内的所有抽油机、计量站的油、水井终端和自动计量的参数设置，现场各类控制信息的采集、储存、分析、诊断，可即时监测和控制所有远程终端，其构成了系统的监控级。采油厂和作业区通过拨号方式登录数据服务器，构成系统的管理级，实现向企业决策者提供及时、可靠的油井信息，帮助决策者对油藏工程、采油工程、地面工程和生产管理等各方面进行量的分析和论证，从而对油井开发做出科学的决策。整套系统采用基于PC的控制方式，使用Windows 2000/NT作为操作系统，使用TCP/IP作为通信协议，以太网向下延伸直接应用于现场设备之间的通信。

3.2 系统的硬件

目前，在其他已建立的油田监控系统中，基本上都是采用专用总线传输数据，而油井的传输大都采用数传电台，这样，系统的硬件费用非常昂贵，整个系统没有良好的开放性，并且传输速率较低。鉴于以太网已在信息领域普遍使用，价格相对便宜，而且工业以太网的发展也日趋成熟，目前己有多种以太网控制器进入市场。我们采用以太网控制器作为RTU，以太网作为低层控制网络。

系统的硬件构成。在基于以太网的监控系统中，我们以美国Optimation公司的OptiLogic以太网RTU(lOMbps)作为油井和计量站数据采集及操作控制的智能终端设备，选用台湾Macromate公司的无线以太网路由器和无线以太网桥作为采油小队与油井之间的无线通信设备，它采用直扩DSSS的传输方式，速率可达11Mbps，支持TCP/IP协议标准。工作频段为2.4GHz ISM自由频段，该范围是不受无线电管理委员会限制的频道。同时，这种频率段不易受干扰影响。

通过井口架设定向天线和采油小队架设全向天线，就可实现井口与监控工作站的通信。姊妹井共用一套RTU及无线通信设备，6#RTU因为离中控室较近，用同轴细缆通过HUB与交换机相连，计量站与小队间采用线缆方式连接。中控室的交换机将监控工作站和各路设备连接起来。通过交换机的VLAN(虚拟局域网)功能，将监控工作站和其他端口之间分别设为VLAN,减少了不必要的广播流量和数据冲突。

无线以太网。利用MAP811和MAP811E组成的WLAN包括接入点和站，只有AP和站之间才能通信。通过架设的天线便可进行通信。MAP811和MAP811E都带有与工EEE802.3有线局域网的接口，可以让无线终端同有线局域网通信。

无线局域网技术正得到快速的发展和应用。与有线网络相比，WLAN具有安装便捷、移动性好、使用灵活、易于扩展等优点，可以为不易布线的地方和远距离的数据处理节点提供强大的网络支持。对于ISM波段的通信机来说，只要功率及带外辐射满足要求，使用者无须向无线电管理部门申请使用许可证，在中国先后开放2.4G和5.8G作为ISM频点。系统中采用的Macromate公司的MAP811和MAP811E符合IEEE802.11无线局域网技术标准。它在MAC层采用载波监听多路访问/冲突避免技术(CSMA/CA)来控制传输介质，一方面载波监听查看介质是否空闲，当介质被监听到空闲时，则优先发送；另一方面，通过随机的等待时间，使访问冲突发生的概率尽可能的小。

以太网RTU。监控系统中采用的RTU是美国Optimation公司的OptiLogic以太网控制器，在控制器基架上可任意拼装各种输入输出模块，如开关量输入DI、开关量输出DO、模拟量输入AI、模拟量输出AO、脉冲计数输入PI、串口RS-232C等模块，配置非常灵活而且结构紧凑、易于扩展。

RTU基架需外接24VDC开关电源(0.7A以上)，基架上提供RJ45以太网接口和RJ12串口RS-232C接口各一个，分别用于以太网(lOMbps)通讯连接和串行通讯(RS-232C或RS485/422转换接口)连接智能仪表。

OptiLogic RTU可以设在系统任何地方的接口点上，它们将通过以太网链接到主监控PC机而进行通讯，一个系统可以很容易地由1到99台RTU合并组成，多于99台的RTU可以通过某种扩展配置得到解决。

主监控PC机将通过以太网通讯链路与每台RTU进行通讯，链接的数据速率达到lOMbps在这种速率下，即便是一个很大的系统在主机和RTU之间传送所有需要的数据也仅仅是毫秒级的时间。借助这种通讯方式，可以在中央PC机上实时地监控距离超过数公里的大型系统。为确保以太网通讯，将OptiLogicRTU连接到基于PC的控制系统时采用独立的网络连接。

参考文献

[1]熊育悦、工业以太网在控制系统中的应用前景，自动化仪表，2002.

[2]张亮，无限局域网中流媒体业务的监测与控制，计算机应用研究，2003.

[3]胡道元等，计算机局域网，清华大学出版社，2002.