中央水泵房系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、.第1章 中央水泵房系統(tǒng)的特點1.1安全可靠性本系統(tǒng)采用高可靠性的多線制開關(guān)量接口“星型”結(jié)構(gòu)模式。所謂多線制結(jié)構(gòu)模式就是控制核心PLC與被控設(shè)備采用多線制的開關(guān)量接口作為控制及反饋的接口，因為開關(guān)量本身具有不受周圍環(huán)境干擾的特點，同時這種結(jié)構(gòu)本身是一種“星型結(jié)構(gòu)”，所以某一故障點不會影響其它環(huán)節(jié)的工作，也就是說整個系統(tǒng)具有極高的可靠性1。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖：多線制開關(guān)了量接口多線制開關(guān)量接口多線制模擬量接口光纖地面監(jiān)控服務(wù)器PLC控制器現(xiàn)場傳感器真空泵啟動柜操作面板1#真空泵2#真空泵1#真空泵閥2#真空泵閥1#泵就地控制柜操作面板1#泵啟動柜1#電動閥門1#逆止閥.圖1-1 多線制開關(guān)量接口“

2、星型”結(jié)構(gòu)模式這種結(jié)構(gòu)形式具有如下特點：A、手動模式為真正意義上的手動模式。自動模式下由PLC通過開關(guān)量輸出模塊控制被控設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為手動模式，或者PLC故障、PLC失電等特殊情況下，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為手動模式，可以通過操作就地控制柜上的按鈕以繼電控制的方式進行手動操作，而不是通過PLC或數(shù)據(jù)口通訊的方式控制被控設(shè)備。如下圖所示：啟動按鈕自動模式被控設(shè)備手動模式PLC開關(guān)量輸出停止按鈕閉鎖觸點圖1-2 手動和自動模式轉(zhuǎn)換B、系統(tǒng)具有高可靠性因為開關(guān)量本身具有不受周圍環(huán)境干擾的特點，同時這種結(jié)構(gòu)本身是一種“星型結(jié)構(gòu)”，所以某一故障點不會影響其它環(huán)節(jié)的工作，也就是說整個系統(tǒng)具有極高的可靠性。C、手動操

3、作方式為集中操作對于某一臺泵而言，其手動操作完全可以通過在水泵附近的就地操作柜進行全部的手動操作，例如真空泵操作、排氣閥操作、排水泵操作、主排水電動閥操作等等，不用到這些被控設(shè)備附近進行操作。D、主排水泵運行電量的采集靈活主排水泵運行電量的采集即可以通過電磁啟動器的微機綜保的智能數(shù)據(jù)接口采集，也可以通過多線制方式直接采集二次側(cè)的電流、電壓輸出，第二種采集方式特別適合于礦井電力自動化占用微機綜保的智能數(shù)據(jù)接口情況下的電量采集。E、系統(tǒng)布線較復(fù)雜由于系統(tǒng)采用了多線制星型的結(jié)構(gòu)，所以必然造成布線較多、較復(fù)雜的缺點，但也正因如此，為系統(tǒng)的可靠運行提供了保證。1.2經(jīng)濟性引入百米噸水電耗的概念，將實時百

4、米噸水電耗參數(shù)顯示在監(jiān)控主界面，同時，用戶可以對百米噸水電耗變化曲線進行查詢。將電價的避峰填谷原則引入水泵啟動算法中，使得水泵耗能處于最經(jīng)濟的狀態(tài)。通過對水倉水位的啟動水位、報警水位、超限水位、停機水位的設(shè)定，在保障水倉水位絕對安全的前提下，使水泵的啟動次數(shù)及達到了最少。由于本系統(tǒng)是按照無人值守的原則進行設(shè)計，所以現(xiàn)場無需人員進行值守，這樣就節(jié)省了大量的人力資源。水位信號是水泵自動化一個非常重要的參數(shù)，自動化控制系統(tǒng)設(shè)置了兩套水位傳感器，模擬量的超聲波水位儀和開關(guān)量浮球式液位開關(guān)，兩套傳感器均設(shè)于水倉的配水井內(nèi)，同時并聯(lián)工作，保證系統(tǒng)可靠運行。1.3適用性和先進性由于采用了光纖環(huán)網(wǎng)通訊技術(shù)取代

5、了原來的總線傳輸技術(shù)使得數(shù)據(jù)傳輸更加快捷、可靠。并且采用了MCGS組態(tài)軟件控制技術(shù)取代了VC.net編程技術(shù)，不僅使可靠性大為提高而且使程序更加具有通用性，也使系統(tǒng)的二次開發(fā)及擴容變得更加規(guī)范、容易。對于多級提升的礦井排水系統(tǒng)可以通過安裝多級自動化排水設(shè)備做到由地面調(diào)度中心根據(jù)各級泵房水倉容量及液位統(tǒng)籌調(diào)度，實現(xiàn)高效、經(jīng)濟地運行。同時在發(fā)生透水事故時可以做到統(tǒng)一動作、統(tǒng)一指揮。本系統(tǒng)遵循礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)子系統(tǒng)接口規(guī)范使得該系統(tǒng)可以非常容易地并入礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，與其它子系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。水泵前軸預(yù)裝溫度、振動一體化傳感器，即保證的測試精度，同時又為設(shè)備維護創(chuàng)造了方便的條件。與其它系統(tǒng)的

6、接口：本系統(tǒng)除地面監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)接口外還提供了豐富的與電力等系統(tǒng)的接口，例如與高壓開關(guān)柜及軟啟動柜之間的開關(guān)量報警接口、可以輸入0-100V及0-5A的模擬量輸入接口4。還提供了可以接入RS485通訊口的智能接口，該接口可以接入高壓電機液阻啟動器或低壓電抗啟動器，以實現(xiàn)對電機啟動的更加全面的監(jiān)視。PLC控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可按程序模塊分段調(diào)試，分段運行。該程序結(jié)構(gòu)具有清晰、簡捷、易懂，便于模擬調(diào)試，運行速度快等特點；并可利用PLC控制柜上的觸摸屏，可實現(xiàn)界面切換、系統(tǒng)巡查、故障復(fù)位、控制方式轉(zhuǎn)換等功能。第2章 中央水泵房系統(tǒng)的功能和參數(shù)的采集2.1系統(tǒng)功能綜述 2.1.1地面監(jiān)控機的主

7、要功能1、 實時與采區(qū)PLC數(shù)據(jù)通信，采集現(xiàn)場的檢測參數(shù)。2、 實時記錄、顯示現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)。3、 在遠程控制允許的方式下，實現(xiàn)對各水泵的啟停運行控制。4、 實時監(jiān)測采區(qū)開關(guān)的閉合狀態(tài)。5、 具有采區(qū)水泵的工藝畫面的動態(tài)模擬。6、 具有操作人員的登錄管理功能，有效防止非法操作、誤操作。7、 對井下設(shè)備的啟?？刂茖崟r記錄，便于對設(shè)備的操作查詢管理。8、 可以查詢設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)及歷史運行數(shù)據(jù)。9、 具有實時動作狀態(tài)變化報警提示。2.1.2采區(qū)控制站完成的功能1、 對井下泵房的排水泵、抽真空系統(tǒng)和電動閥門的自動監(jiān)控。2、 實時采集水泵的出水口壓力，并根據(jù)此值作為保護電機的一項參數(shù)。3、 實時采集水泵

8、進水口的真空度，在啟動電機時作為啟動的依據(jù)。4、 實時采集水泵電機溫度，作為電機是否運行正常的依據(jù)。5、 實時采集開關(guān)的電壓、電流運行參數(shù)以及故障保護信號。6、 實時采集兩水倉水位，在自動運行方式時，根據(jù)水倉水位的液位控制電機的自動運行5。7、 實時采集出水母管的管網(wǎng)壓力和出水總流量。8、 通過就地控制箱，就地控制系統(tǒng)運行。9、 就地控制箱安裝工業(yè)以太網(wǎng)模塊通過礦井千兆工業(yè)以太網(wǎng)將運行數(shù)據(jù)傳到地面監(jiān)控機。2.1.3自動輪換工作為了防止電氣設(shè)備長期不用而使電機和電氣設(shè)備受潮或銹死，在工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時，而不能及時投入以至影響礦井安全， 系統(tǒng)程序設(shè)計了自動輪換工作控制：當(dāng)水位大于超限

9、水位時，同時開啟五臺水泵；當(dāng)水位大于報警水位時則同時開啟兩臺水泵；當(dāng)水位大于啟動水位時開啟一臺水泵，當(dāng)水位小于停止水位時則關(guān)閉所有水泵。從而延長其使用壽命，保證煤礦的安全生產(chǎn)。2.1.4自動控制水泵內(nèi)部只有達到一定的真空度，使其葉輪完全淹沒于水中，才能實現(xiàn)正常的排水。若真空度不夠，泵內(nèi)有空氣存在，將會造成不上水和轉(zhuǎn)動部件燒壞等故障。系統(tǒng)一般采用真空泵抽真空，由真空表監(jiān)測真空度，正常運行情況下，有出口壓力、流量和真空度三個參數(shù)判斷水泵運行是否正常。2.2 系統(tǒng)參數(shù)的采集 2.2.1水位信號水池水位信號是系統(tǒng)工作的主要控制信號，PLC要根據(jù)水位變化情況來控制水泵的運行情況，并在觸摸屏上進行動態(tài)顯示

10、，能夠直觀地觀察到水位的高低情況，便于管理人員及時了解水位情況，當(dāng)高水位時發(fā)出聲光報警信號。為保證水池水位信號的準(zhǔn)確采集，系統(tǒng)配置了兩套水位檢測方式：一種就是正常運行時采用的模擬量輸出的投入式液位傳感器，另一種就是備用的開關(guān)量輸出的浮球式液位傳感器。兩種水位檢測方式可以人為地進行切換。2.2.2真空狀態(tài)檢測根據(jù)水泵工作要求，要控制水泵啟動必須是在真空度達到設(shè)定值時才允許啟動，所以啟動過程中，對真空度的檢測要適時、準(zhǔn)確，并可以動態(tài)顯示。根據(jù)以往的工程實踐證明，真空狀態(tài)的檢測是水泵控制系統(tǒng)的重點，為保證準(zhǔn)確地檢測，除在每臺水泵吸水口上安裝真空度傳感器以外，還要在真空泵的出水口安裝流量開關(guān)，通過檢測

11、真空泵出水口是否有水流對真空度進行確認。2.2.3電量參數(shù)的采集通過對每臺水泵電機的三相電壓、三相電流信號的采集，能夠準(zhǔn)確地判斷系統(tǒng)運行的狀態(tài)，特別是決大多數(shù)故障在早期均體現(xiàn)在電機電流的變化上。所以通過準(zhǔn)確地檢測電機的工作狀態(tài)，可以及時地甚至提前對故障進行預(yù)警。以便于維護人員提前發(fā)現(xiàn)故障。2.2.4系統(tǒng)參數(shù)的采集系統(tǒng)參數(shù)包括兩個主排水管的累積流量及瞬時流量、每臺泵的運行時間、各種閥門的狀態(tài)等。這些參數(shù)不僅是水泵啟、停的必要依據(jù)，同時也是對系統(tǒng)進行統(tǒng)計、查詢的重要依據(jù)。2.2.5傳感器及執(zhí)行機構(gòu)安裝位置在每個水泵出水管路安裝壓力傳感器。每臺水泵安裝一個貼片式磁鋼溫度傳感器，檢測水泵回水溫度。每個

12、水泵配套的排真空裝置的閥門應(yīng)安裝自動、手動電動球閥。在水泵的吸水管安裝一個真空度傳感器。在集水井安裝一個投入式液位傳感器，作為控制水泵啟動的主要數(shù)據(jù)閘閥配置為即可電動又可手動電動閘門。在水倉安裝浮球式液位開關(guān)，作為系統(tǒng)的備用控制數(shù)據(jù)。在兩個總出水管分別安裝壓力傳感器及流量計第3章 中央水泵房系統(tǒng)的工作原理3.1系統(tǒng)設(shè)備及組成水泵房監(jiān)控裝置包括PLC柜、就地控制箱和外圍傳感器以及上位計算機等，系統(tǒng)組成示意圖如3-1。遠程控制計算機控制計算機通信模塊模擬量采集模塊控制模塊控制柜柜真空泵閥門真空泵水泵防爆電動閥門水位信號電機定子、電機軸承、水泵軸承溫度流量真空度傳感器壓力傳感器圖3-1 水泵房監(jiān)控裝

13、置示意圖控制柜（PLC柜）主要由可編程控制器、信號變送器、中間繼電器等組成，主要完成對信號的接受、變換、放大，并由PLC運算、判斷發(fā)出各種控制信號，監(jiān)控水泵的運行工況，實現(xiàn)水泵房的無人值守。PLC的輸出信號應(yīng)用中間繼電器隔離，實現(xiàn)對變頻器的控制。PLC 的I/O接口應(yīng)有不少于20%的備用量。PLC柜為礦用隔爆型，PLC選用西門子公司S7200系列。PLC柜電源箱和小功率多回路組合開關(guān)輸入電源AC127V、50HZ，內(nèi)置控制變壓器和UPS（考慮為PLC和傳感器提供后備電源）。PLC柜通過以太網(wǎng)模塊（光口）接入工業(yè)以太干網(wǎng)，實現(xiàn)水泵監(jiān)控子系統(tǒng)與全礦井的監(jiān)控系統(tǒng)信息共享。集中控制柜為隔爆兼本質(zhì)安全型

14、，顯示屏（嵌裝）、指示燈、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、繼電器、電源開關(guān)、蜂鳴器等都安裝在集中控制臺內(nèi)。按鈕、指示燈、轉(zhuǎn)換開關(guān)、繼電器等采用品牌優(yōu)質(zhì)電器元件6。集中操作用于完成整套系統(tǒng)的控制與監(jiān)視。投標(biāo)方應(yīng)根據(jù)技術(shù)規(guī)格書的系統(tǒng)功能特性要求對集中控制臺布置做詳細設(shè)計?，F(xiàn)場設(shè)備及傳感器包括就地控制箱、傳感器和電磁閥等組成。就地控制箱：就地控制箱主要由按鈕、指示燈等組成，每個就地箱備有急停按鈕與相關(guān)按鈕等。傳感器包括超聲水位計、管路靜壓傳感器、電機溫度傳感器等，所檢測的參數(shù)主要有：水倉水位、水泵進水管真空度、水泵出水口壓力、水泵軸溫、電機溫度及設(shè)備工作狀態(tài)等。在水泵與電機聯(lián)接處增加KR-939SB2型一體化溫度、

15、振動傳感器, 內(nèi)部分別集成振動、溫度探測.對水泵的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。上位計算機通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC柜里面的觸摸屏進行通訊，對水泵系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)進行采集，計算機安裝了MCGS組態(tài)軟件，通過組態(tài)軟件將采集到的數(shù)據(jù)顯示出來。3.2水泵管路系統(tǒng)圖止回閥(ZH)又稱單向閥或逆止閥，其作用是防止管路中的介質(zhì)倒流。采用微阻緩閉式止回閥。防爆電動閘閥(DZ)使用電能作為動力來接通電動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動閥門，實現(xiàn)閥門的開關(guān)、調(diào)節(jié)動作。用于液體、氣體和風(fēng)系統(tǒng)管道介質(zhì)流量的模擬量調(diào)節(jié)，是AI控制。采用AC660V電動閘閥或電液控閘閥。排真空閥(QF)：采用本質(zhì)安全型電動球閥，工作電壓DC24V，可手、電動。由電動

16、執(zhí)行機構(gòu)和球閥共同構(gòu)成電動球閥，是工業(yè)自動化過程控制的一種管道壓力元件，通常用于管道介質(zhì)的遠程開、關(guān)（接通、切斷介質(zhì)）控制。電動球閥它具有旋轉(zhuǎn)90度的動作，旋塞體為球體，有圓形通孔或通道通過其軸線。球閥在管路中主要用來做電動球閥切斷、分配和改變介質(zhì)的流動方向，它只需要用旋轉(zhuǎn)90度的操作和很小的轉(zhuǎn)動力矩就能關(guān)閉嚴(yán)密。球閥最適宜做開關(guān)、切斷閥使用，但近來的發(fā)展已將球閥設(shè)計成使它具有節(jié)流和控制流量之用，如V型球閥。壓力表(P)以彈性元件為敏感元件，測量并指示高于環(huán)境壓力的儀表。采用抗振式壓力表與壓力傳感器配接。負壓表(Z)采用抗振式真空表與真空度傳感器配接。流量計(Q)指示被測流量和(或)在選定的時

17、間間隔內(nèi)流體總量的儀表。采用隔爆兼本質(zhì)安全型超聲流流量計。手動閘閥(SF)手動閘閥的啟閉件是閘板，閘板的運動方向與流體方向相垂直，閘閥只能作全開和全關(guān)，不能作調(diào)節(jié)和節(jié)流。采用DN250、DN200（PN1.6）手動閘閥。水泵管路系統(tǒng)圖如下圖所示。該圖是用CAXA軟件畫出來的。圖3-2 水泵管路系統(tǒng)圖3.3系統(tǒng)工作原理及工作方式泵房水泵啟動開關(guān)的電量參數(shù)由PLC配以各種開關(guān)量、模擬量的輸入輸出模塊以及以太網(wǎng)通訊模塊共同完成。PLC自動巡檢，通過擴展工業(yè)以太網(wǎng)模塊及井下以太網(wǎng)交換機及光纖收發(fā)器傳給地面調(diào)度中心。全自動運行時，系統(tǒng)的井下下位機PLC實時采集水倉水位和浮球狀態(tài)，并根據(jù)水倉水位情況和浮球

18、的狀態(tài)，按照各臺水泵的運行時間長短啟動相應(yīng)水泵的運行或停機。不需要人工參與。下位機在正常運行過程中，可以脫離上位機的通訊仍能正常運行。就地手動工作方式時，根據(jù)水倉水位或浮球狀態(tài)，就地通過現(xiàn)場手動控制柜手動控制水泵的啟停。遠程手動工作時,由授權(quán)值班工作人員通過上位計算機控制水泵的啟動和停止；系統(tǒng)在正常運行過程中，不論何種工作方式，均可實時將現(xiàn)場的各種參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳到地面調(diào)度室。3.4水泵控制的控制原則水泵開啟時，首先檢測水倉水位。當(dāng)水位超過低水位（滿足開泵條件），開啟一臺水泵，當(dāng)系統(tǒng)第一次運行，開啟一號泵。當(dāng)開啟一臺水泵運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)水位仍然上漲，則順序開啟下一序號的水泵。

19、當(dāng)水位下降到低水位限以下時，則停止一臺水泵。對于具備開啟條件的水泵，在開啟前首先啟動真空系統(tǒng)，檢測真空度，真空度達到后即可開啟。當(dāng)水位超過警戒水位時(出現(xiàn)涌流)，水泵全部開啟。當(dāng)水泵出現(xiàn)故障時，及時停泵，檢修。該無人值守系統(tǒng)以水倉水位作為水泵的起停的基本條件，在此條件滿足的前提下，然后再根據(jù)均勻磨損的原則、電價避峰填谷的原則實現(xiàn)水泵的起停。該原理為：首先設(shè)定四個水位限值：H1、H2、H3、H4。當(dāng)水位達到報警水位時，可以開啟兩臺水泵；當(dāng)水位繼續(xù)上升至超限水位時，則表明一臺水泵的排水量已不足以排除礦井出水，以礦井的最大排水能力來排除礦井涌水，啟動所有水泵。不論投入幾臺水泵，水位必須下降到低限水位

20、方可停泵。即當(dāng)PLC讀取的水倉水位值為H4時，表示水倉水位低于低限水位，水泵機組將不投入運行；水位值H3，一臺水泵機組投入運行，則等待水位上漲到H2時再投入一臺水泵機組運行。當(dāng)一臺機組處于運行狀態(tài)時水位仍然上漲到H1，則陸續(xù)投入所有水泵。機組運行至水位下降到H4時，水泵機組退出運行。程序流程圖如下圖：水泵。機組運行至水位下降到H4時，水泵機組退出運行。程序流程圖如下圖：NNNYYYY開始H>H3投入一臺水泵HH2投入兩臺水泵HH1全部投入HH4水泵全停圖3-3 程序流程圖3.41水泵開機順序每個水泵在確定需要打開后，首先啟動真空泵，自動抽真空；通過真空表判斷真空度是否達到開啟水泵的標(biāo)準(zhǔn)；

21、如果達到要求，則抽真空完畢，開啟水泵；打開排水管路上電動閥門；關(guān)閉真空泵運行；水泵自動開機完畢。YNYN壓力達到要求？啟動抽真空真空度達到要求？啟動水泵開電動閘閥停止抽真空開啟水泵圖3-4 水泵起動流程圖3.4.2水泵關(guān)機順序每個水泵在確定關(guān)閉之后，首先關(guān)閉出水電動閥門；判斷閘閥是否關(guān)到位；停止排水泵運行。YNYN關(guān)電動閘閥水位低于下限閘閥關(guān)到位？關(guān)閉水泵圖3-5 水泵停機流程圖第四章 通信設(shè)置4.1工業(yè)以太網(wǎng) 4.1.1工業(yè)以太網(wǎng)的簡介工業(yè)以太網(wǎng)符合IEEE 802.3（以太網(wǎng)）國際標(biāo)準(zhǔn)的局域和單元網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計用于現(xiàn)場級的工業(yè)環(huán)境，可以實現(xiàn)自動化部件之間的連接，以及自動化部件與PC機/工作站之

22、間的連接，并可連接無線通信部件。PROFINET是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的開放式標(biāo)準(zhǔn)，支持從公司管理層到現(xiàn)場層之間設(shè)備的連接。工業(yè)以太網(wǎng)可實現(xiàn)范圍廣泛的開放式網(wǎng)絡(luò)解決方案，是已被證實并被世界各地所接受的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)以太網(wǎng)是世界范圍內(nèi)局域網(wǎng)應(yīng)用中的領(lǐng)先網(wǎng)絡(luò)，其市場占有率超過80%，并在不斷增長。工業(yè)以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點：連接簡捷，調(diào)試快速；靈活性高，可擴展現(xiàn)有的設(shè)備而不影響其運行；是公司范圍內(nèi)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)（縱向集成）；是因特網(wǎng)服務(wù)的基礎(chǔ)；采用冗余網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，具有高可用性；通過交換機技術(shù)其性能可伸縮，通信性能幾乎無限制；用于不同應(yīng)用領(lǐng)域的聯(lián)網(wǎng)，例如辦公環(huán)境與生產(chǎn)環(huán)境；利用SCALANCE W，通過

23、與WAN（廣域網(wǎng)）或IWLAN（工業(yè)無線局域網(wǎng)）連接，實現(xiàn)公司范圍內(nèi)的通信；利用SCALANCE W，實現(xiàn)WLAN或IWLAN與移動站無故障連接。持續(xù)的兼容性開發(fā)，投資安全；采用簡單、有效的信令概念，持續(xù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)部件。在工業(yè)以太網(wǎng)中，可實現(xiàn)工廠范圍內(nèi)的時間同步。這樣，在訂購整個工廠的備件時，就可以做到有的放矢。通過西門子SCALANCE S所實現(xiàn)的安全功能，能夠保護網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)。4.1.2以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域需解決的主要問題近10年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，以太網(wǎng)成為商業(yè)通訊中的主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以太網(wǎng)的通訊速率要比目前任何工業(yè)現(xiàn)場總線高很多，因它是IT界標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，成千上萬的公司參與開發(fā)生

24、產(chǎn)有關(guān)產(chǎn)品，使其成本低廉，可選擇范圍十分廣闊。因此，人們期望以太網(wǎng)也能應(yīng)用到工控領(lǐng)域，憑著它的低成本、極高的通信速率、全球普及的標(biāo)準(zhǔn)，逐漸取代現(xiàn)有工控行業(yè)中繁多的總線系統(tǒng)，用以太網(wǎng)來實現(xiàn)從管理層到工業(yè)現(xiàn)場層的貫穿一致性通信。但由于以太網(wǎng)是以辦公自動化為目標(biāo)設(shè)計的，并不完全符合工業(yè)環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)的要求，將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)用于工控領(lǐng)域還需要解決確定性、實時性、可靠性等問題，使其符合工業(yè)環(huán)境的特殊需求7。1、 確定性由于以太網(wǎng)采用的協(xié)議是CSMA/CD，在以太網(wǎng)中所有的站點均采用相同的物理介質(zhì)相連，這就意味著兩條設(shè)備同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)間的互相沖突。為了解決這個問題，以太網(wǎng)規(guī)定，在一個站點訪問網(wǎng)絡(luò)前

25、，必須先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上有沒有其他站點在同時使用，只有檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑時，才能發(fā)送數(shù)據(jù)。在基于競爭的以太網(wǎng)中，只要網(wǎng)絡(luò)空閑，任何一個工作站均可發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)兩個工作站發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空閑，同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，就發(fā)生了沖突。特別是在網(wǎng)絡(luò)負荷過大時，更易發(fā)生沖突。對于一個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，特別是對一些過程控制如運動控制和一些高精確度閉環(huán)控制的網(wǎng)絡(luò)，對世界精確度有很高的要求，即要求同樣過程每次完成或相應(yīng)時間上的偏差很小。如果存在大量的沖突，網(wǎng)間通信的不確定性將大大增加。在工控網(wǎng)絡(luò)中這種從一處到另一處的不確定性，必然會帶來系統(tǒng)控制性能的降低。2、 實時性在工業(yè)控制系統(tǒng)中，實時可定義為系統(tǒng)對某事件響應(yīng)時間的可預(yù)測性。一個事件發(fā)生后，

26、系統(tǒng)須在一個可準(zhǔn)確預(yù)見的時間范圍內(nèi)做出反應(yīng)。工業(yè)上對數(shù)據(jù)傳遞的實時性要求十分嚴(yán)格，往往要求在數(shù)10s內(nèi)完成數(shù)據(jù)的更新，在高動態(tài)傳動控制中系統(tǒng)反應(yīng)時間更需達到微妙級。可是由于以太網(wǎng)采用的是CSMA/CD協(xié)議，當(dāng)發(fā)生沖突的時候，就得重發(fā)數(shù)據(jù)，有時甚至需多次重發(fā)（最多可達16次），很明顯這種解決沖突的機制是以付出時間為代價的。而且一旦出現(xiàn)掉線，哪怕是僅僅幾秒鐘的時間，就有可能造成整個生產(chǎn)的停止甚至是設(shè)備、人身安全事故。3、 可靠性由于以太網(wǎng)在設(shè)計之初，并不是從工業(yè)網(wǎng)應(yīng)用出發(fā)的。當(dāng)它應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場，面對相對惡劣的工作環(huán)境，必然會引起其可靠性降低。由于工業(yè)環(huán)境對EMI（工業(yè)抗干擾）和ESD（工業(yè)抗震）的

27、不同要求，對EMC（電磁兼容性）也提出更高的要求。在生產(chǎn)環(huán)境中工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性，可恢復(fù)性，以及可維護性。即保證一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時，不會導(dǎo)致應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。 4.1.3以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用的解決方式針對以上這些以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用的缺陷和工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)網(wǎng)絡(luò)的特殊要求，除了選用能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠工作的工業(yè)級以太網(wǎng)設(shè)備外，目前已采用多種方法來改善以太網(wǎng)的性能和品質(zhì)，以滿足工業(yè)領(lǐng)域的要求。1、 采用高速以太網(wǎng)以降低沖突概率顯而易見，如果網(wǎng)絡(luò)中沒有太多的數(shù)據(jù)，沖突概率就會大大降低。有資料顯示當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)的負荷低于36%時，基本上不會發(fā)生沖突；在負荷為10%

28、以下時，10Mb/s以太網(wǎng)沖突概率為每5年一次、100Mb/s以太網(wǎng)沖突概率為每15年一次。但超過36%后隨著負荷的增加發(fā)生沖突的概率是以幾何級數(shù)的速度增加的。顯然提高以太網(wǎng)的通信速度，就可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的負荷率，從而降低沖突概率。幸運的是現(xiàn)在以太網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)高速以太網(wǎng)，再加上細致全面的設(shè)計及系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的數(shù)量和通信流量進行控制，完全可以采用以太網(wǎng)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。但這種方法不能充分利用帶寬，易造成浪費，且不能百分之百地保證沖突不發(fā)生。2、 采用交換技術(shù)以避免數(shù)據(jù)沖突為了改善以太網(wǎng)重負荷時的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，可以使用以太網(wǎng)交換機（switch）將可能發(fā)生沖突的網(wǎng)絡(luò)用網(wǎng)絡(luò)交換機隔開，以減少CSMA/C

29、D機制帶來的沖突問題和錯誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發(fā)生，提供系統(tǒng)的確定性。在交換型工業(yè)以太網(wǎng)中，利用以太網(wǎng)交換機將一個共享型以太網(wǎng)分割成若干網(wǎng)段，工作在每一網(wǎng)段的主機對介質(zhì)的爭用仍采用CSMA/CD的競爭機制，而連接個網(wǎng)段的交換機則采用路由機制。在以太網(wǎng)引入交換機后不僅可以擴展網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬，還能有效擴展網(wǎng)絡(luò)的范圍。但這種方法成本較高，且數(shù)據(jù)通信被網(wǎng)絡(luò)交換機的分配和緩沖過程所帶來的延遲時間所影響，傳輸時間受制于網(wǎng)絡(luò)交換機的配置而會有一些偏差。 4.1.4冗余網(wǎng)絡(luò)拓撲形式在實際應(yīng)用中，工業(yè)以太網(wǎng)主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設(shè)備的連接則采用屏蔽雙絞線，對重要的網(wǎng)段則可以采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以此提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和可靠性。常見的冗余網(wǎng)絡(luò)拓撲形式有以太網(wǎng)快速生產(chǎn)樹冗余（RSTP）、環(huán)網(wǎng)冗余（RapidRingTM）和主干冗余（TrunkingTM）等.1、 STP及RSTPSTP(Spanning Tree Protocol)，生成樹算法，IEEE 802.1D，是一個鏈路層協(xié)議，提供路徑冗余和阻止網(wǎng)絡(luò)循環(huán)發(fā)生。它強令設(shè)備用數(shù)據(jù)路徑為阻塞狀態(tài)。如果一條路徑有故障，該拓撲結(jié)構(gòu)能借助激活備用路徑重新配置并鏈路