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【摘 要】本文介绍了以太网技术及其发展，通过某自来水厂的实例，说明了以太网技术在生产自动控制系统应用中具有高度的分散性、实时性、可靠性、开放性和低成本的特点。
【关键词】以太网；自动化；PLC（可编程控制器）
1.前言
自来水厂的整个生产系统基本都包含了取水泵站、净水系统、送水泵站等三大子系统，其中包含了数量不等的水泵机组、排泥车、滤池各类阀门、洗池风机水泵、净水药剂投加机等不同种类的设备需要控制。从上世紀九十年代开始，基于PLC的自动控制技术在自来水厂得到了长足应用，但由于受当时技术发展所限，多数生产系统仅能实现单机的PLC自动控制，先进一点的也仅能实现如56Kbps等低速网络监控。近年来，计算机和网络技术的发展引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。以太网作为目前应用最为广泛的局域网技术，在自来水厂过程控制领域得到了越来越多的应用。
2.以太网技术介绍
一般来讲，控制系统网络可分为3层：信息层、控制层和设备层（传感/执行层）。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。目前，以太网已经渗透到了控制层和设备层，很多的PLC和远程I/O供应商都能提供支持TCP/IP的以太网接口的产品。以太网之所以给自动化市场带来风暴式的革命，主要有3个原因：低成本的刺激和速度的提高；现代企业对实时生产信息有越来越多的要求；以太网的开放性和兼容性。
早期的以太网，多节点共享同一个传输媒体，称为共享以太网（SharedEthernet），节点间通信采用广播方式，易发生冲突。共享以太网用CSMA/CD技术来避免冲突，即发送方检测到冲突就暂停发送，随机延迟一段时间后再重新发送直到成功。由于延迟时间是随机的，不能事先知道，因而共享以太网的时间响应具有不确定性，不能用于强实时性场合。
交换以太网（SwitchedEthernet）的出现克服了这一缺点，以太网的交换机（Switch）是数据链路层（ISO/OSI参考模型第二层）的多端口网桥，也可以说是智能分配器。交换机将其管理的网络以星型拓扑结构划分为许多物理上互相隔离而逻辑上互相联系的节点，每一节点单独与交换机建立物理连接，在通信的时候交换机会在发送端口与接受端口间建立一个独占的全双工通道，它具有以太网的全部带宽并避免冲突。
工业以太网和Internet技术的发展将完全改变传统工业企业的网络架构。工业以太网已经从信息层向下延伸到控制层和设备层采用以太网架构以后，控制器的位置也可以突破传统网络架构的限制，可以位于现场，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至远程I/O支持以太网的功能越来越强，在有些控制器和远程I/O模块中已经集成了Web服务器，从而允许信息层的用户也可以和控制层的用户一样直接获取控制器和远程I/O模块中的当前状态值。采用以太网架构和开放的软件系统的制造企业也被称为“透明工厂”。
3.以太网在自来水厂的应用
3.1系统硬件结构设计
本系统利用以太网技术，采用集散控制方式，共有5个控制子站。
1）取水泵站子站：ControlLogix系统主控PLC实现泵站内压力、流量等模拟量数据采集；5套MicroLogix1400系列PLC实现5台取水泵组的启、停和运行的自动控制；
2）投加子站：ControlLogix系统主控PLC实现水质仪表数据采集，3套MicroLogix1400系列PLC实现加矾、加氯、加氨的自动控制；
3）净水子站：ControlLogix系统主控PLC实现净水系统中沉淀池排泥车的调度运行、滤池系统的调度运行，每个滤池系统以及每台排泥车各自有1独立的MicroLogix1400系列PLC实现本子系统设备的自动控制；
4）送水泵站子站：ControlLogix系统主控PLC实现泵站内压力、流量等模拟量数据采集；7套MicroLogix1400系列PLC实现7台送水泵组的启、停和运行的自动控制；
5）电站子站：ControlLogix系统主控PLC实现与高压控制柜内的电量计量及综合保护器通讯，采集电站的电量参数。
各子站内的ControlLogix系统PLC均配置以太网通讯模块，针对每台设备的MicroLogix1400系列PLC本身自带以太网接口，上述所有PLC均通过以太网接口接入本子站内的以太网交换机，各子站交换机以光纤方式形成全厂的监控网络。
3.2系统监控软件设计
使用与上述PLC系统相匹配的RSViewSE系列软件进行监控系统的软件设计。RSViewSE是一个强大的管理级的监控软件。它是基于MicrosoftWindowsXP和Windows2000操作系统的人机界面软件，用于监视、控制并获取全企业的生产操作数据。它包括：①RSViewStudio内建所有HMI（人机界面）应用的开发工具包。②RSViewSEServer监控级的应用运行在其上面，负责检测事件，管理报警，采集数据并处理其他运行过程。③RSViewSEClient显示运行数据和历史数据，并为操作员提供控制操作界面。
本监控系统软件采用组态软件、模块化设计，并具有汉化界面。各监控站数据从服务器数据库中获取，以客户端方式运行。现场控制站的操作员站的任务是在标准画面和用户组态画面上，设定、汇集和显示有关的运行信息，供运行人员据此对设备的运行工况进行监视和控制。操作员站要求监视或控制本工艺点的生产过程画面及生产实时数据，查询和打印各种历史数据：中控监控管理站作为取水、净水、供水和污泥处理的中心，用于全厂的数据监控和数据管理，具有各操作员站的全部内容。各系统具有以下主要功能： 1）报警处理
2）历史数据的管理
3）事件处理
4）人机界面
5）画面显示
6）数据通信
7）报表产生
8）实时与历史数据分析
9）安全登录和密码保护
10）操作控制功能：
11）其它功能。
·报警处理
在任何时间和在任何显示上工作站均能在画面顶部或底部显示出总的报警信息，包括报警设定值（报警条件）、报警值、报警状态、报警时间。这些报警信息通过报警声音提醒，使操作人员可以快速地调用与本报警有关的画面，以得到可以寻找故障原因的详细资料。如果需要可以按要求调用并按命令分别打印登记在数据库中的报警内容。对于长期不正常事件（由监视人员确认后）可禁止报警和登录。对于已确认的报警应带上报警发生时标，存入报警数据库。对于未确认的报警应持续发出声光报警，直至值班人员确认，还可依据报警信号重要性动态改变报警级别。
·历史数据的管理
操作人员依权限可按要求进行分类列表，对于各变量可表明时标、属性、测量范围、实时值，并用颜色或符号表明数据性质。也可以在表格上用“指针”选定数据点，对其设定值，测量范围，数据性质进行修改。
·事件处理
a.事件登记
报警、调度命令及设备操作命令、挂标记牌操作、修改设定值或写入数据等事件都记入不可修改的“事件登记簿”。
b.事件检索
操作员可在“事件检索”的视窗中按事件类别名称、对象名称、事件起始至截止的日期和时间及对象编号进行检索。
c.事件记录存储
事件库中具有足够的容量存放事件登记，事件登记每天以数据文件形式入库，盘区存满后通知操作员移出另外存储。
·人机界面
a.人机界面运用开放系统的图形窗口技术。
b.友好的操作人员界面。
c.程序员可在线修改和编辑画面。
·画面显示
a.站级显示：包含站内整个系统及相关系统的运行状态总貌，显示出主设备的状态、有关参数以及控制回路中过程变量与设定值的偏差。工艺控制图形的总体结构形式为窗口式和分层展开式相结合。
b.功能组显示：包含过程输入变量、报警条件、输出值、输入值、设定值、单元标号、缩写的文字标题、控制方式、报警值等。功能组显示画面包含所有监控单元或回路。
c.细节显示：可观察以某一單元为基础的所有信息。
d.其它显示：包含报警显示、趋势显示、成组显示、棒图显示、帮助显示、系统状态显示等。
e.在各个工艺过程的合适位置实时显示主要相关数据。
f.画面显示系统的操件采用图形标记，下拉式屏幕菜单和键盘按钮。所有显示和打印输出均可显示出以24小时时间形式的时间。
g.趋势图显示功能
可以用棒状图或线状图显示历史趋势或当前趋势，可选择1条至16条实时或历史趋势图（用不同颜色）在同一时间内显示在一幅画面上。当前趋势显示根据实时原理不断校正。操作员可以方便地调整趋势显示的时间坐标或输入范围。
4.结束语
随着网络化、信息化概念向自动化领域的不断渗透，监控自动化控制理念和技术也在不断发展。在监控工程控制系统中，采用基于工业以太网的集成式分布控制系统，具有高度的分散性、实时性、可靠性、开放性和低成本的特点，可以实现远程控制，易于与管理结合，实现管控一体化。
参考文献：
[1]翁维勒、孙洪程.工程控制系统及工程.[M].化学工业出版社，2002.
[2]VanceVanDoren.解读Ethernet.[J].控制工程，2005-07.
【关键词】以太网；自动化；PLC（可编程控制器）
1.前言
自来水厂的整个生产系统基本都包含了取水泵站、净水系统、送水泵站等三大子系统，其中包含了数量不等的水泵机组、排泥车、滤池各类阀门、洗池风机水泵、净水药剂投加机等不同种类的设备需要控制。从上世紀九十年代开始，基于PLC的自动控制技术在自来水厂得到了长足应用，但由于受当时技术发展所限，多数生产系统仅能实现单机的PLC自动控制，先进一点的也仅能实现如56Kbps等低速网络监控。近年来，计算机和网络技术的发展引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。以太网作为目前应用最为广泛的局域网技术，在自来水厂过程控制领域得到了越来越多的应用。
2.以太网技术介绍
一般来讲，控制系统网络可分为3层：信息层、控制层和设备层（传感/执行层）。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。目前，以太网已经渗透到了控制层和设备层，很多的PLC和远程I/O供应商都能提供支持TCP/IP的以太网接口的产品。以太网之所以给自动化市场带来风暴式的革命，主要有3个原因：低成本的刺激和速度的提高；现代企业对实时生产信息有越来越多的要求；以太网的开放性和兼容性。
早期的以太网，多节点共享同一个传输媒体，称为共享以太网（SharedEthernet），节点间通信采用广播方式，易发生冲突。共享以太网用CSMA/CD技术来避免冲突，即发送方检测到冲突就暂停发送，随机延迟一段时间后再重新发送直到成功。由于延迟时间是随机的，不能事先知道，因而共享以太网的时间响应具有不确定性，不能用于强实时性场合。
交换以太网（SwitchedEthernet）的出现克服了这一缺点，以太网的交换机（Switch）是数据链路层（ISO/OSI参考模型第二层）的多端口网桥，也可以说是智能分配器。交换机将其管理的网络以星型拓扑结构划分为许多物理上互相隔离而逻辑上互相联系的节点，每一节点单独与交换机建立物理连接，在通信的时候交换机会在发送端口与接受端口间建立一个独占的全双工通道，它具有以太网的全部带宽并避免冲突。
工业以太网和Internet技术的发展将完全改变传统工业企业的网络架构。工业以太网已经从信息层向下延伸到控制层和设备层采用以太网架构以后，控制器的位置也可以突破传统网络架构的限制，可以位于现场，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至远程I/O支持以太网的功能越来越强，在有些控制器和远程I/O模块中已经集成了Web服务器，从而允许信息层的用户也可以和控制层的用户一样直接获取控制器和远程I/O模块中的当前状态值。采用以太网架构和开放的软件系统的制造企业也被称为“透明工厂”。
3.以太网在自来水厂的应用
3.1系统硬件结构设计
本系统利用以太网技术，采用集散控制方式，共有5个控制子站。
1）取水泵站子站：ControlLogix系统主控PLC实现泵站内压力、流量等模拟量数据采集；5套MicroLogix1400系列PLC实现5台取水泵组的启、停和运行的自动控制；
2）投加子站：ControlLogix系统主控PLC实现水质仪表数据采集，3套MicroLogix1400系列PLC实现加矾、加氯、加氨的自动控制；
3）净水子站：ControlLogix系统主控PLC实现净水系统中沉淀池排泥车的调度运行、滤池系统的调度运行，每个滤池系统以及每台排泥车各自有1独立的MicroLogix1400系列PLC实现本子系统设备的自动控制；
4）送水泵站子站：ControlLogix系统主控PLC实现泵站内压力、流量等模拟量数据采集；7套MicroLogix1400系列PLC实现7台送水泵组的启、停和运行的自动控制；
5）电站子站：ControlLogix系统主控PLC实现与高压控制柜内的电量计量及综合保护器通讯，采集电站的电量参数。
各子站内的ControlLogix系统PLC均配置以太网通讯模块，针对每台设备的MicroLogix1400系列PLC本身自带以太网接口，上述所有PLC均通过以太网接口接入本子站内的以太网交换机，各子站交换机以光纤方式形成全厂的监控网络。
3.2系统监控软件设计
使用与上述PLC系统相匹配的RSViewSE系列软件进行监控系统的软件设计。RSViewSE是一个强大的管理级的监控软件。它是基于MicrosoftWindowsXP和Windows2000操作系统的人机界面软件，用于监视、控制并获取全企业的生产操作数据。它包括：①RSViewStudio内建所有HMI（人机界面）应用的开发工具包。②RSViewSEServer监控级的应用运行在其上面，负责检测事件，管理报警，采集数据并处理其他运行过程。③RSViewSEClient显示运行数据和历史数据，并为操作员提供控制操作界面。
本监控系统软件采用组态软件、模块化设计，并具有汉化界面。各监控站数据从服务器数据库中获取，以客户端方式运行。现场控制站的操作员站的任务是在标准画面和用户组态画面上，设定、汇集和显示有关的运行信息，供运行人员据此对设备的运行工况进行监视和控制。操作员站要求监视或控制本工艺点的生产过程画面及生产实时数据，查询和打印各种历史数据：中控监控管理站作为取水、净水、供水和污泥处理的中心，用于全厂的数据监控和数据管理，具有各操作员站的全部内容。各系统具有以下主要功能： 1）报警处理
2）历史数据的管理
3）事件处理
4）人机界面
5）画面显示
6）数据通信
7）报表产生
8）实时与历史数据分析
9）安全登录和密码保护
10）操作控制功能：
11）其它功能。
·报警处理
在任何时间和在任何显示上工作站均能在画面顶部或底部显示出总的报警信息，包括报警设定值（报警条件）、报警值、报警状态、报警时间。这些报警信息通过报警声音提醒，使操作人员可以快速地调用与本报警有关的画面，以得到可以寻找故障原因的详细资料。如果需要可以按要求调用并按命令分别打印登记在数据库中的报警内容。对于长期不正常事件（由监视人员确认后）可禁止报警和登录。对于已确认的报警应带上报警发生时标，存入报警数据库。对于未确认的报警应持续发出声光报警，直至值班人员确认，还可依据报警信号重要性动态改变报警级别。
·历史数据的管理
操作人员依权限可按要求进行分类列表，对于各变量可表明时标、属性、测量范围、实时值，并用颜色或符号表明数据性质。也可以在表格上用“指针”选定数据点，对其设定值，测量范围，数据性质进行修改。
·事件处理
a.事件登记
报警、调度命令及设备操作命令、挂标记牌操作、修改设定值或写入数据等事件都记入不可修改的“事件登记簿”。
b.事件检索
操作员可在“事件检索”的视窗中按事件类别名称、对象名称、事件起始至截止的日期和时间及对象编号进行检索。
c.事件记录存储
事件库中具有足够的容量存放事件登记，事件登记每天以数据文件形式入库，盘区存满后通知操作员移出另外存储。
·人机界面
a.人机界面运用开放系统的图形窗口技术。
b.友好的操作人员界面。
c.程序员可在线修改和编辑画面。
·画面显示
a.站级显示：包含站内整个系统及相关系统的运行状态总貌，显示出主设备的状态、有关参数以及控制回路中过程变量与设定值的偏差。工艺控制图形的总体结构形式为窗口式和分层展开式相结合。
b.功能组显示：包含过程输入变量、报警条件、输出值、输入值、设定值、单元标号、缩写的文字标题、控制方式、报警值等。功能组显示画面包含所有监控单元或回路。
c.细节显示：可观察以某一單元为基础的所有信息。
d.其它显示：包含报警显示、趋势显示、成组显示、棒图显示、帮助显示、系统状态显示等。
e.在各个工艺过程的合适位置实时显示主要相关数据。
f.画面显示系统的操件采用图形标记，下拉式屏幕菜单和键盘按钮。所有显示和打印输出均可显示出以24小时时间形式的时间。
g.趋势图显示功能
可以用棒状图或线状图显示历史趋势或当前趋势，可选择1条至16条实时或历史趋势图（用不同颜色）在同一时间内显示在一幅画面上。当前趋势显示根据实时原理不断校正。操作员可以方便地调整趋势显示的时间坐标或输入范围。
4.结束语
随着网络化、信息化概念向自动化领域的不断渗透，监控自动化控制理念和技术也在不断发展。在监控工程控制系统中，采用基于工业以太网的集成式分布控制系统，具有高度的分散性、实时性、可靠性、开放性和低成本的特点，可以实现远程控制，易于与管理结合，实现管控一体化。
参考文献：
[1]翁维勒、孙洪程.工程控制系统及工程.[M].化学工业出版社，2002.
[2]VanceVanDoren.解读Ethernet.[J].控制工程，2005-07.