煤矿信息化技术-煤矿信息化技术

丁恩杰教授讲义丁恩杰教授中国矿业大学丁恩杰教授讲义报告提纲一、工业以太网技术二、数字化变电所四、WI-FI无线通信技术五、研究课题--基于WI-FI的新一代井下救灾监控指挥系统丁恩杰教授讲义一、工业以太网技术一、工业以太网技术（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术（四）工业以太网的优势（一）工业以太网概念（三）工业以太网协议丁恩杰教授讲义工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容。产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面能满足工业现场的需要。（一）工业以太网概念丁恩杰教授讲义(1)Ethernet的介质访问控制(MAC)层协议采用带碰撞检测的载波侦听多址访问(CSMA/CD)方式，当网络负荷较重时，网络的确定性不能满足工业控制的实时性要求；(2)Ethernet所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境要求；(3)在工厂环境中，Ethernet抗干扰(EMI)性能较差，若用于危险场合，以太网不具备本质安全性；(4)Ethernet不能通过信号线向现场设备供电问题。Ethernet为何不能直接应用于工业场合（一）工业以太网概念丁恩杰教授讲义随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展，上述问题在工业以太网中正在迅速得到解决。（一）工业以太网概念丁恩杰教授讲义（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术通信确定性与实时性工业以太网采取了以下措施使得该问题基本得到解决：1．采用快速以太网加大网络带宽。Ether-net的通信速率从10、100Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降，从而提高其实时性。2．采用全双工交换式以太网。用交换技术替代原有的总线型CSMA/CD技术，避免了由于多个站点共享并竞争信道导致发生的碰撞，减少了信道带宽的浪费，同时还可以实现全双工通信，提高信道的利用率。丁恩杰教授讲义3.降低网络负载。工业控制网络与商业控制网络不同，每个结点传送的实时数据量很少，一般为几个位或几个字节，而且突发性的大量数据传输也很少发生，因此可以通过限制网段站点数目，降低网络流量，进一步提高网络传输的实时性。4.应用报文优先级技术。在智能交换机或集线器中，通过设计报文的优先级来提高传输的实时性。（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术通信确定性与实时性丁恩杰教授讲义传统的Ethernet并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境的适应性需要。由于工业现场的机械、气候、尘埃等条件非常恶劣，因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。在工厂环境中，工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性及可维护性。为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann,JetterAG等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术稳定性与可靠性丁恩杰教授讲义在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃、易爆或有毒气体等，对应用于这些工业现场的智能装置以及通信设备，都必须采取一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产。在目前技术条件下，对以太网系统采用隔爆、防爆的措施比较可行，即通过对Ethernet现场设备采取增安、气密、浇封等隔爆措施，使现场设备本身的故障产生的点火能量不外泄，以保证系统运行的安全性。对于没有严格的本安要求的非危险场合，则可以不考虑复杂的防爆措施。安全性（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术丁恩杰教授讲义工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术安全性丁恩杰教授讲义总线供电(或称总线馈电)是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号，还能给现场设备提供工作电源。对于现场设备供电可以采取以下方法：1．在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离开来。2．不改变目前物理层的结构，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。（二）Ethernet应用于工业现场的关键技术总线供电丁恩杰教授讲义当以太网用于信息技术时，应用层包括HT-TP、FTP、SNMP等常用协议，但当它用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议，目前还没有统一的应用层协议，但受到广泛支持并已经开发出相应产品的有以下几种主要协议：（三）工业以太网协议Mod-busTCP/IPProfi-NetHSEEthernet/IP丁恩杰教授讲义该协议由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为ModbusTCP/IP。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答，这种呼叫/应答的机制与Modbus的主/从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定性，利用TCP/IP协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好。利用网络浏览器便查看企业网内部设备运行情况。施耐德公司已经为Mod-bus注册了502端口，这样就可以将实时数据嵌人到网页中，通过在设备中嵌入Web服务器，就可以将Web浏览器作为设备的操作终端。ModbusTCP/IP（三）工业以太网协议丁恩杰教授讲义针对工业应用需求，德国西门子于2001年发布了该协议，它是将原有的Profibus与互联网技术结合，形成了ProfiNet的网络方案，主要包括：(1)基于组件对象模型(COM)的分布式自动化系统；(2)规定了ProfiNet现场总线和标准以太网之间的开放、透明通信；(3)提供了一个独立于制造商，包括设备层和系统层的系统模型。ProfiNet采用标准TCP/IP+以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到ProfiNet网络当中，使整Profibus设备和协议能够原封不动地在Pet中使用。传统的Profibus设备可通过代理proxy与ProFiNET上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象间的调用。ProfiNet（三）工业以太网协议丁恩杰教授讲义HSE技术的一个核心部分就是链接设备，它是HSE体系结构将Hl(31.25kb/s)设备连接100Mb/s的HSE主干网的关键组成部分，同时也具有网桥和网关的功能。网桥功能能够用于连接多个H1总线网段，使同H1网段上的H1设备之间能够进行对等通信而无需主机系统的干涉；网关功能允许将HSE网络连接到其他的工厂控制网络和信息网络，HSE链接设备不需要为H1子系统作报文解释，而是将来自H1总线网段的报文数据集合起来并且将Hl地址转化为IP地址。HSE（三）工业以太网协议丁恩杰教授讲义Ethernet/IP是适合工业环境应用的协议体系。它是由ODVA(OpenDevicenetVendorsAsso-cation)和ControlNetInternational两大工业组织推出的最新成员与DeviceNet和ControlNet一样，它们都是基于CIP(ControlandInformationProto-Col)协议的网络。它是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式(控制)的实时I/O信息和显式信息(包括用于组态、参数设置、诊断等)的有效传输。（三）工业以太网协议Ethernet/IP丁恩杰教授讲义（四）工业以太网的优势应用广泛以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如VisualC＋＋、Java、VisualBasic等都支持以太网的应用开发。通信速率高目前，10、100Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s(如西门子Profibus-DP)。显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。丁恩杰教授讲义以太网网卡的价格较之现场总线网卡要便宜得多(约为1/10)；另外，以太网已经应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多经验，具有相当成熟的技术。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，降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。成本低廉资源共享能力强随着Internet/Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联人互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。（四）工业以太网的优势丁恩杰教授讲义以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投人，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。可持续发展潜力大（四）工业以太网的优势丁恩杰教授讲义（五）工业以太网在控制领域应用现状（一）混合Ethernet/Fieldbus的网络结构丁恩杰教授讲义(二)专用工业以太控制网络（五）工业以太网在控制领域应用现状丁恩杰教授讲义(三)基于Web的网络监控平台（五）工业以太网在控制领域应用现状丁恩杰教授讲义二、数字化变电所数字化变电站丁恩杰教授讲义什么是数字化技术信息以数字量的形式进行传输、处理和存储数字量是指编码–不同进制：2，8，10，16–不同位数：表示范围和精度–值离散和时间离散数字化变电站丁恩杰教授讲义数字化技术优势易于传输–同一信道可传输多种信息–信息不损失精度–可靠性：检错和容错易于处理–CPU具备强大的处理能力–软件决定逻辑和算法，易维护易于存储数字化变电站丁恩杰教授讲义数字化变电站特点变电站传输和处理的信息数字化过程层设备智能化统一的信息模型：数据模型、功能模型统一的通信协议：数据无缝交换高质量信息：可靠性、完整性、实时性各种设备和功能共享统一的信息平台数字化变电站丁恩杰教授讲义数字化变电站的逻辑接口数字化变电站丁恩杰教授讲义数字化变电站的逻辑接口1、间隔层和变电站层之间保护数据交换；2、间隔层与远方保护之间保护数据交换；3、间隔层内数据交换；4、PT和CT输出的采样值；5、过程层和间隔层之间控制数据交换；6、间隔和变电站层之间控制数据交换；7、变电站层与远方工程师办公地数据交换；8、间隔之间直接数据交换，如联锁等快速功能；9、变电站层内数据交换；10、变电站和远方控制中心之间控制数据交换。数字化变电站丁恩杰教授讲义数字化变电站的通信网络数字化变电站丁恩杰教授讲义IEC61805标准1、分层结构，可跟踪最新的通信技术2、完善的信息模型，提供SCL描述语言3、提供二次设备间实时信息交换能力4、提供一次设备和二次设备间通信标准5、提供工程实施和一致性检测标准6、国调中心组织一致性测试保证国内主要二次设备厂家间无缝通信数字化变电站丁恩杰教授讲义数字化变电站优点各种功能共用统一的信息平台，避免设备重复投入测量精度高、无饱和、无CT开路二次接线简单光纤取