（水利工程专业论文）南通新江海河水闸实时监测与控制系统研究.pdf

摘要 水闸是水利枢纽工程中必不可少的主体建筑物之一，担负着流域的防洪、灌 溉等重要任务。随着自动控制、通信及计算机技术的不断发展，把遥测遥控、通 信及计算机技术应用于闸门及水位等参量的自动测量、计算、控制和调节，来实 现水资源的合理输送、节制和分配，就是水闸实时监测与控制系统的主要内容和 目标。水利的现代化，离不开水利信息化的支撑。随着信息化在水利行业的大力 推广，作为水利信息化的重要组成部分的水闸自动化监控系统也日益受到重视。 水闸实时监测与控制系统是当前我国大力推进的水利信息化的重要组成部分。 本论文针对南通新江海河水闸的实际需求，研制了一套实时监测与控制的系 统。该系统主要应用于实现对闸上水位、闸位、液压启闭系统、底压开关柜的实 时数据采集、分析计算；运行监控，指挥通航孔正常通航；视频监视上下游及通 航闸室内运行情况并录像记录，监视通航收银台情况等功能。该实时监控系统具 有实时性好、兼容性好、可扩展性强、测量精度高、抗干扰能力强以及全中文友 好人机界面等优点。 本论文首先论述了系统的总体方案研究，着重介绍了系统的主要功能。本系 统主要由三部分组成：实时数据的采集、数据的传输、系统控制中心。然后分别 介绍各个部分理论方面的设计与实现如p l c 技术，工业以太网技术等。并介绍 了各部分硬件设施的配置情况。最后对存在的一些问题进行了讨论。 关键词：p l c 、工业以太网、传感器、通讯协议、监测、监控。 s l u i c ew h i c hp l a y st h ei m p o r t a n tr o l ei nf l o o dc o n t r o la n di r r i g a t i o n i so n eo f m ei n e v i t a b l e m a i ns t r u c t u r ei nh y d r a u l i ce n g i u e e d n g a st h ed e v e l o p m e n to f a u t o m a t i cc o n t r o l ，c o r r e s p o n d e n c e a n dt e c h n o l o g yo f c o m p u t e r , t h a tt h et e l e m e t r ya n dt e l e c o n t r u i ，c o r 陀s p o n d 蛐m a dt e c h n o l o g yo f c o m p u t e ra l ea p p l i e dt oa u t o m a t i cm e a s n r e ，c o m p u t a t i o n , c o n t r o la n dr e g u l a t i n g f o r $ o l n e p a r a m e t e r ss u c ha st h es l u i c e - g a t ea n dw a t l t a b l ei no r d e rt oa s s u r et h ed e l i v e r , g r a d u a t i n ga n d a l l o c a t i o nr e a s o n a b l yf o rw a t e rr e s o u r g e s ，h a sb g g o m et h em a i nc o n t e n ta n da i mf o rt h er e a l - t i m e m o n i t o r i n gs y s t e mo fs l u i c e i t i sn e c e s s a r yt om o d e r n i z ew a t e rc o n s e r v a n c yb a s e d0 1 3 t h e h y d r o - i n f o r m a t i o n a st h ee x t e n s i v eg r o w i n ga st h eh y d r o - i n f o r m a t i o n ，i ts h o u l da t t a c hm o r e i m p o r t a n c et ot h ea u t om o n i t o rs y s t e mo fs l u i c e t h er e a l - t i m em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mo f s l u i c eh a sc h a n g ei n t oac o n c e m f u lp a r to f h y d r o - i n f o r m a t i o n t h i sp a p e rd e v e l o p st h er e a l t i m em o r d t o d n ga n dc a n 台o ls y s t e m0 1 1c o n d i t i o no f t h ep r a c t i c a l r e q u e s tf o rt h en e wj i a n g h a l h es l u i c ei nn a n t o n g t h i ss y s t e mh a sa c h i e v e ds o m ef u n c t i o n s m a i n l ya sf o l l o w i n g ：r e a l - t i m ed a t ac o l l e c t i n g , a n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o nf o rs l u i c ew a t e rt a b l e a b o v e ，s l u i c et a b l e ，h y d r a u l i cs t a r t - s t o ps y s t e m , b o t t o ms q u e e z es w i t c hc a b i n e t ：o p e r a t i n g m o n i t o ra n dc o n t r o l l i n gt ot h en a v i g a b l ea p e r t u r e ；m o n i t o r i n gt h eu p - d o w n s t r e a ma n dn a v i g a b l e o f f i c ei nv i d e o ，s i m u l t a n e o u s l yt om a k ear e c o r d i th a ss y n c r e t i z e dm a n ya d v a n t a g e st oaw h o l e ， s u c ha sr e a l - t i m e , c o m p a t i b i l i t y , e x p a n d a b i l i t y , c e r t a i no fm e a s u r e m e n t , a n t i i n t e r f e r e n c ea n d h a r m o n i o u sm a n - m a c h i n ei n t e r f a e ef o rf i l nc h i n e s e f i r s t l y , t h i sp a p e rd i s c o u r s e su p o nt h eg e n e r a ls c h e m ea n dm a i n l y i n t r o d u c e st h ec o r e f u n c t i o n so ft h es y s t e m , w h i c hi n c l u d e st h r e ep a r t s - - c o l l e c t i n gf o rt h er e a l - t i m ed a t e ，d a t a t r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l l i n gc a y f ef o rt h es y s t e m o n c ea g a i n , i te x p o u n d st h ed e s i g n i n gi nt h e o r y a n da l s oi t s a p p l i c a t i o ns u c ha sh y d r o l o g yo fp c la n di n d u s t r i a l e t h e r u e ti ne v e r yp a r t , r e s p e c t i v e l y a tt h es a m et i m e i ta l s or e f e r r e dt h ed e p l o y i n g f o rh a r d w a r ec o m p o n e n t s f i n e l y , i t h a sm a d eap r o g r e s s i n gd i s c u s s i o na i m i n ga ts o m ee x i s t e dp r o b l e m s k e yw o r d s ：p c l , i n d u s t r i a le t h e r u e t , s e n s o rd e v i c e ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，m o n i t o r i n g , s u p e r v i s i n g 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ：篷! 曩掐 渺7 年占月z - e l 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理 论文作者( 签名) ： 丝望筠加7 年，月，2 ，日 河海大学工程硕士学位论文南通新江海河水闸实时监测与控制系统研究 第一章绪论 1 1 论文选题背景 随着国民经济及科学技术的进一步发展，科学管理水资源越来越显示其重 要性和必要性，尤其是在我国水资源并不充裕的情况下，水资源必然成为国民经 济发展及人民生活水平提高的制约因素。要解决好新世纪水的问题，就必须调整 治水思路，转变治水方针，从工程水利向数字水利转变，从传统水利向现代水利、 可持续发展水利转交。进一步发挥水利工程效益，提高供水设施的准确性和可靠 性，己成为当前的迫切任务。 随着自动控制、通信及计算机技术的不断发展，把遥测遥控、通信及计算机 技术应用于闸门及水位等参量的自动测量、计算、控制和调节，来实现水资源的 合理输送、节制和分配，就是水闸监控系统的主要内容和目标。近年来由于自动 化控制系统在工业自动化上的应用越来越成熟和普及，水利部提出在大、中型水 闸工程建设中，同期研发应用实时监测与控制系统，并以此作为水管单位千分考 核中，现代化科学技术应用这一项的考核内容之一。 信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，也是我国产业优化升级和实现 工业化、现代化的关键环节。要把推进国民经济和社会信息化放在优先位置。水 利是国民经济和社会发展的基础设施，必须适度超前发展。水利的现代化，离不 开水利信息化的支撑。水闸自动化监测与控制系统是当前我国大力推进的水利信 息化的重要组成部分。 新江海河水闸位于江苏南通。南通地区水系以通启河和通吕河为主干河道， 分成南北两大水系：通启片水系和通吕片水系。新江海河水闸位于南通海门境内 的江心沙农场，如图1 1 所示，与营船港闸、双桥闸共同组成通启片水系水工建 筑物控制体系，共同控制和调节通启片水系的水位，负责包括南通农场、江心沙 农场在内的几万亩农田的灌溉和排涝。新江海河水闸原属海门市管理，2 0 0 1 年 移交给通州时正面l | 笛改建，因此，临时由通州市通海闸管所兼管，2 0 0 6 年6 月 经通州市机构编制委员会批准成立了通州市新江海河闸管理所，股级建制，隶属 通州市水利局，为纯公益性事业单位。现新江海河水闸由新老闸组成，新闸于 2 0 0 2 年1 1 月2 8 日开工建设，老闸于2 0 0 3 年8 月改造加固。新闸于2 0 0 4 年5 第一章绪论 月完工试运行，与其两侧6 2 0 m 港堤围成一道防洪屏障，保护着通州、海门及南 通开发区4 2 1 k m 2 农田和广大人民群众生命财产的安全。现有管理及运行养护人 员1 4 人。闸管区范围为1 4 6 万m 2 ，包括6 2 2 m 的港支堤，新闸三孔，老闸六孔， 附属建筑物三幢，绿化面积6 万m 2 ，建所后确定管理目标为国家一级水管单位。 国家一级水管单位，管理千分考核要达到9 2 0 分以上，管理工作量远远超出1 4 人的承受能力。 因而，无论从国内水利大环境大趋势来看，还是从新江海河闸本身管理要求 出发，研发一套实时监测与控制系统都具有一定的必要性和紧迫性。 图卜l 新江海河闸工程位置图 1 2 国内外相关问题研究进展 实时j l 矗测与控制系统在水利工程中的运用是水利信息化的内容之一，是从传 统水利向现代水利转变的物质实现。中国水利在信息化方面的工作在“七五”期 间起步，“九五”期间启动“金水工程“，取得了可喜的成绩。目前，信息技术 在某些业务信息采集、运输、存贮、处理、分析和服务的部分环节中已发挥了显 著作用。但从总体上看，业务处理只实现了部分数字化，相关技术规范不完善， 在硬件实施的研发与可靠性的提高方面有待进一步的完善，信息共享机制不键 2 河海大学工程硕士学位论文南通新江海河水闸实时监测与控制系统研究 全，有限的数据资源总体质量不高，使得效率较低。水利信息化总体上仍在起步 阶段，地区发展极不平衡i “。 美国和日本是世界上最早重视水利信息化的国家，也是较早把水情测报技术 应用于防汛工作的国家。美国曾提出过采用非工程性的防汛措施作为防汛方针之 一的提案，日本的“河川法”也早就强调了非工程性防洪的作用。2 0 世纪7 0 年 代后期，他们的信息化技术在水利工程中的应用已经逐渐成熟，一些相关技术产 品开始进入国际市场。 随着计算机技术在国内的普及和应用，自动化控制系统在工业自动化上的应 用越来越成熟和普及，水利信息化在上世纪末也得到迅速发展【2 1 【3 1 ，未来发展趋 势主要表现在： 1 信息多元化。 2 信息传输快和资料共享。 3 信息处理快，可视程度高。 4 信息安全保障。 1 3 研究目标和内容 应用先进且高可靠的工控软件编制开发适用于本研究的计算机监测与控制 软件，实现对闸上水位、闸位、液压启闭系统、底压开关柜实时数据采集、分析 计算；运行监控，指挥通航孔正常通航；视频监视上下游及通航闸室内运行情况 并录像记录，监视通航收银台情况。 1 4 技术路线和方法 水利信息化是一个跨学科、跨专业的新型专业方向，主要涉及水利、信息、 控制、计算机及自动化专业领域的基础知识和应用。新江海套闸实时监控系统应 用研究以水利工程为平台，以自动控制理论为基础，以信息、计算机等多学科技 术为手段，实现对新江海河套闸的实时监测与控制。 系统研究的技术路线： 1 建立新江海河水闸实时监测与控制数据库 根据本闸实际的工程特点及通航、引排、水体置换的管理工作特点，合理选 第一章 绪论 取监控、监测要素，合理布置监控、监测点，建立有效合理的数据库，确保工程 管理工作过程中运用顺畅、方便、合理。 2 选用合理有效的工控软件 市场上工控软件不少，具体分析新江海河水闸的现状，考虑新江海河水闸未 来的发展方向和水利整体发展趋势，选用成熟而合理的工控软件，对实时监测与 控制系统的建成和应用具有重大的意义。 3 采取有效的通讯方式 新江海河闸既有新建的新闸，又有改造加固的老闸，新、老闸相距两百多米， 虽然设备的数据传输与通讯介质无关，但应考虑到系统设备的物理位置和数据传 输的安全可靠性及经济合理性。 4 可编程控制器和传感器、过程仪表的比较和选择 传感器、过程仪表是水位、液压、闸高、油泵电流等参数转换成电信号的部 件，这些部件的精确度和稳定性直接关系到系统建成后的可用性。可编程控制器 是整个系统的关键部分，用以采集所需要的数据量、开关状态、报警状态等信息， 并作水泵、闸门、通航灯的控制趋动。因而可编程控锚4 器和传感器、过程仪表的 比较、分析和选择是系统建成过程中不可或缺的重要部分，也是能让建成后的系 统最大化增值的重要措施。 5 人机交互界面 入机交互界面是系统与用户问基于图、表、文等的接口，包括输入输出两大 部分：一方面把由键盘获得的信息和命令通过识别、理解，转换成内部形式传递 给系统；另一方面把系统运行产生的结果，转换成人们易于直观接受的语言文字 或图形、图像等方式，传给用户。让工作人员在工作过程中有效而生动。 4 河海大学工程硕士学位论文南通新江海河水闸实时监铡与控制系统研究 第二章总体方案研究 2 1 系统要求 研究一套适用于新闸、老闸的实时监测与控制系统，性能优异、高可靠性的 控制单元，实现自动控制，满足无人值守，并具有在闸现场与上级管理部门数据 通讯接口。实时监测与控制系统应具备如下功能：数据采集与处理；设备运行监 视和事故报警；控制与调节；数据通讯。 2 2 设计原则 1 实用性与先进性。根据系统的特点，在本方案设计中特别强调系统的实 用性与先进性的结合。根据我们在积累了数年成功经验的基础上，采用成熟的自 动化控制技术、传感器技术、通讯技术、网络技术及计算机技术，首先保证综合 自动化监控系统实用性。其次，跟踪国际、国内的计算机技术、自动控制技术的 新发展，结合多年的成功经验，进行系统设计。系统中的产品支持开放性标准化。 2 可靠性与安全性。在系统设计中，主要从三个层次考虑其可靠性和安全 性：一是设备的可靠性。尽量采用国产设备，为保证其可靠性，部分核心设备采 用进口。二是整个监测与控制系统的可靠性与安全性。采用高可靠性的监测与控 制网络体系结构，合理选择通信方式、通信设备、可靠实用的传感器及控制单元； 保证系统能够长期可靠、安全地运行。 3 经济性和可扩展性。在满足需求的前提下，选用性能价格比高的产品、 设备和控制软件。采用的设备充分考虑易升级换代，并且在升级时可以最大限度 地保护原有的硬件设备和软件投资。 2 3 系统特点 该实时监测与控制系统具有如下的特点： 1 与各数据采集装置之间的数据通讯不局限于采集数据的传输和控制命令 的下发，并可从控制中心系统对其运行参数( 水位压力闸门越限、过流、等定 僮) 进行下载，并返送校验。 第二章总体方案研究 控制中一i s , 系统可用接收到的各分站系统传来的数据，对自动控制的运行进行 实时仿真，以检铡分站系统自动控制运行状态，并进行不正常状态的报警和提示。 2 通讯系统是整个系统数据流的瓶颈，本方案拟采用以太网通讯的方式， 这样不仅降低了成本、提高了可靠性，还使整个系统的性能指标得到了提高。 3 新老闸各设一台现地控制装置，其多种接口性能可接入各类传感器，并 将采集的数据进行分类、归整、统一。这样极大的方便了控制中心系统与各点之 间的数据连接，还极大的方便了控制中心系统数据库的操作。 4 控制中心系统应用软件按商品化软件规范设计，提供完备的数据库生成 系统和图形生成系统，使用户在整个系统变动时只需利用提供的生成工具修改相 应的画面、数据库内容即可( 既应用软件与特定系统无关) 。 2 4 系统组成结构 采用分级分布式的系统结构【8 l g i 1 0 l 。由数据采集控制装置、控制中心计算机 系统及数据通讯系统三大部分组成。原理框图如图2 1 所示： 各类过程仪表、传感器及被控设备 图2 - 1 系统结构图 系统通过安装在水位井、启闭机、液压泵及电气柜等处的水位传感器、同位 传感器、压力传感器、电气量仪表，由现地控制装置实时采集测量水位、液压、 闸高、油泵电流等参数，通过通讯系统将信息传送到控制中心计算机系统，系统 对这些数据统计、分析、存贮，并根据不同的需要，产生控制命令，传送至现地 6 河海大学工程硕士学位论文南通新江海河水闸实时监测与控制系统研究 控制单元，自动控制设备的打开与关闭。在运行过程中，系统同时监测液压系统、 启闭机的运行状态、告警状态。一旦状态变化，系统及时给出音响、灯光和文字 信号提示操作人员处理。系统主要部分有： 1 数据采集控制装置 现地控制装置是数据采集控制装置的关键部分。本系统现地控制装置采用进 口设备西门子$ 3 0 0 系列可编程逻辑控制器为主要设备。用以采集所需数据量、 开关状态、报警状态等信息，并作为水泵、闸门、通航灯的控制驱动。 数据采集控制部分还包括过程仪表、传感器。过程仪表、传感器是水位、液 压、闸高、油泵电流等参数转换成电信号的部件。这些部件的精确度和稳定性直 接关系到系统的可用性。实时监控、监测系统选用进口或国内优质产品以保证传 感器长期使用的可靠性。 2 数据传输通讯系统 本系统中新老闸房采集控制点相对比较集中，因此数据通讯方式可采用有 线、无线、光纤、低压载波等多种方式。设备的数据传输与通讯介质无关。考虑 到系统设备的物理位置和数据传输的安全可靠性，控制中心的计算机与现地控制 装置的数据通道采用1 0 1 0 0 m 以太网络形式，通讯协议采用t c m p 协议。由于 新、老闸房之间的距离约3 0 0 m ，所以，采用光纤作为网络通讯介质。 系统还可以采用公用电话通道与上级计算机系统进行数据交换，数据的传输 采用t c p i p 协议，以计算机网络形式相连。 3 控制中心计算机系统 控制中心计算机系统以i o i o o mb a s e - t 为基础，网络交换式集线器( 删b ) 连 接，并以w i n d o w sn t 2 0 0 0 x p 为平台，构成网络体系。配置为通信监控处理机 + 数据服务器+ 工作站的可伸缩式结构。 按此研究方案建成的水闸监测与控制系统，在需要做大数据量处理。且对整 个系统性能影响较大的部分，采用高配置、冗余设计( 如控制中心主站系统) ， 以保证整个系统的可靠性。而对于处理数据量较小的部分，则采用高可靠性和高 性能价格比的设备( 如现地控制装置) ，以降低系统成本，提高系统经济性。通 讯系统是整个系统数据流的瓶颈。针对项目区区域不大，通讯距离不远( 2 5 0 0 0 小时 2 5 s 4 m s 2 0 m s 3 0 6 0 1 5 = 3 s 3 s 1 2 年) ，稳定可靠，测试数据准确之特点。且采用同步串行接口，使 用十分方便。 3 工作原理： 当闸门启闭机的液压推动杆推动闸门升降时，推动杆产生位移，传动机构带 动编码器轮轴旋转。编码器的编码值表示了旋转的角度。根据角度值即可计算出 闸门的开高。 4 主要技术指标： 电源电压：直流稳压2 4 伏 接口：同步串行接口，2 5 位编码 测量精度：8 1 9 2 周 5 编码器连接方法： 第三章数据采集控制 v + 卓源( + 2 4 v ) s m3 3 8 v - 电扳( o v ) 旋转编码器 同步串行 c + 同步信号( c + ) 接口模块 c m - 同步信号( f 一) ( p + fa v m 5 8 ) 数据信号( 叶) d - 数据信号( 卜) l l r 方向信号( u d ) 图3 7 闸门高度变送器连接示意图 河海大学工程硕士学位论文南通新江海河水闸实时监测与控制系统研究 4 1 工业以太网技术 第四章数据传输 4 1 1 以太网概述 以太网( e t h e r n e t ) 是一种可以随机存取的计算机局域网，被称为是“典型 的局域网”。在1 - 1 0 k i n 距离内的计算机用同轴电缆互连，这种电缆可以任意分 支，形成一种无根的树形结构。每台计算机通过收发器都可以连接到同一条电缆 上，并可随机地向这根共享的媒体上发送报文。报文播发给所有的计算机，但只 有需要这个报文的计算机才接收它。以太网采用的媒体访问控制方式是c s i a c d 方式( h p 带碰撞检测的载波侦听多址访问) ，是美国施乐( x e r o x ) 研究中心和斯坦 福大学联合开发推出的。 市场占有率高达8 0 ，以太网毫无疑问是当今l a n ( 局域网) 领域中首屈一指 的网络，以太网有优越的性能【2 6 】。 1 通过简单的连接系统快速启动。 2 高可用性，因为对现有系统的扩展不存在任何问题。 3 实际上没有限制的通讯性能。如需要，通过切换技术能提供可仲缩性的 性能。 4 各种各样应用的联网，例如办公室和生产应用的联网。 5 通过w a n ( 广域网) ，经过可能性的接口实现公司之间的通讯，例如i s d i 或i n t e r n e t 。 6 通过经常不断的扩展和开发因而保护投资的安全性。 但是它也有明显的不足之处，这是与它采用的介质访问规程密切相关。以太 网的典型通讯特点是随机接入、载波侦听、碰撞检测和冲突竞争。目前以太网标 准是i e e e 8 0 2 3 系列，使用c s m a c d ( 带冲突检测的载波监听多点接入) 传输协议， 其传输媒体非常广泛，根据情况可以选择铜缆、双绞线和光纤等。目前以太网技 术的发展十分迅速，网卡工作方式从单工发展到双工，网络传输速度从早期 l o m b p s 逐渐发展到目前的1 0 0 0 m b p s ，网络机理从早期的共享式发展到目前盛行 的交换式，并开始逐渐引入流量控制机制。但是不管以太网如何发展，由于采用 冲突竞争的传输方式，其同样具有传输不确定性的特点，亦即从理论上讲任何变 第四章数据传输 量都不能完全确保在规定时间内发送成功。交换式以太网虽然有效避免了碰撞 域，从而显著提高了传输效率，但是其并不能避免端口竞争现象，因而传输同样 具有不确定性。 4 1 2 以太网技术在工业控镧上的应用 工业以太网是为工业控制网络应用专门设计的以太网，它是遵循国际标 准i e e e8 0 2 3 ( e t h e r n e t ) 的开放式、多供应商、高性能的区域和单元网络。随 着计算机网络技术和自动化控制技术的飞速发展，测控系统也得到了迅猛发展， 特别是以太网技术进入工业控制领域，开辟了工业控制的新天地。以太网技术在 工业企业信息化系统中的管理层和监控层已得到了广泛应用，但是作为底层的 现场设备层大多采用低速现场总线网络。 目前，以太网技术在工业控制上的应用主要存在于两个层次。一是在现地控 制单元和上位计算机之间，其中现地控制单元主要是带有网络接口的可编程控制 器p l c 或p c ；另一个是用于上位操作计算机、管理计算机、数据库服务器等之 间的互联。这两者都比较成熟。 至于现地控制单元和现场传感器之间以及传感器之间的连接，以太网应用较 少，技术还不很成熟。但是这个层次的应用正体现了应用工业以太网技术的意义。 就是把互联网技术向下贯通到传感器层，从而形成了一种崭新的基于以太网技术 的先进的过程控制系统。 这种基于以太网技术的控制系统有明显的优点：以太网可传输的数据量更快 更大，比f c s 更具有开放性，各种控制设备只要有兼容的网络通信协议，就能组 成一个控制系统，弥补了f c s 没有一个统一的现场总线标准的缺陷。 半导体装置制造协会标准组织( s e m i ) 认识到为了使传感器和设备具有互操 作性和互换性，需要开发一种标准，适用于半导体工业设备层之间的相互通讯。 通用传感器总线分委会( c s b s c ) 承担了这个任务，创建了传感器执行器网络 标准( s 雕ie 5 4 0 9 9 7 ) ，一个含有3 个物理层的模型，如图4 - 1 所示。 河海大学工程硕士学位论文 南通新江海河水闸实时监测与控制系统研究 s 淤：专雹设磊模型c 蹦逶辱设备攘型 ) ；c s ：网络通信标准 图4 一ls 髓i 传感器执行器总线 网络通信标准( n c s ) 是建立在传感器总线上的现场总线，s e m i 传感器总线标 准支持多种已通过验证的现场总线。通用设备模型( c d m ) 和专用设备模型( s d m ) 是面向设备的应用服务、属性和行为的技术规范，它面向对象并独立于协议。c d m 规定对所有设备提供的通用服务，s d m 规定对有关专门设备提供的服务。 为了与总体的联网战略保持一致，s e m i 成立了一个传感器，一个总线任务 组，编写了m o d b l st c p i p 传感器执行器c s ，并己经正式发布了官方的标准。 t c p i p 是i n t e r n e t 的公共传输协议，提供了在线节点之间可靠的数据传输 机制，以太网早己成为公司、企业系统事实上的标准：把多用途、高度灵活性和 应用十分广泛的以太网物理网络和通用的联网标准( t c p i p ) 以及典型数据传输 通信协议( m o d b l s ) 组合在一起，构成一个真正开放的和易于访问的网络系统。 这个网络能相当简便地实现任何支持t c p t p 接口设备的应用系统。 另外，合理的设计可允许对整个以太网上的智能传感器配置和固件设备进行 升级管理。当系统中成千个智能设备需要维护时，通过r s 一2 3 2 串行口下载的固 件解决方案要适应总系统的伸缩非常困难。在以太网环境中，系统的升级以及控 制方案的更新改造可大大简化 4 1 3 工业以太网技术与传统现场总线技术的比较 在构建整个闸门监控系统网络时，管理级和监控级均采用以太网通讯方式， 现地级网络采用工业以太网，工业以太网与现场总线网络的性能比较见表4 1 。 第四章 数据传输 比较项具体项目 工业以太网 现场总线 实时性 确定性是是 响应时间小于等于4 m s 小于等于5 m s 报文大小所有规格有限 可移植性向上兼容性 高低 开放性高低 互操作性 高低 网络安全性 高高 协议 t c p n p 专有协议 物理连接传输介质光纤、同轴电缆、a u i 铜线、光纤 电缆、无线 连接装备控制器、场地设备、远控制器、场地设备，远 程i o 程i o 远距离中继器 支持支持 网络管理即插即用支持支持 拓补结构总线、星型、环型 总线、星型 性能对i s o 层次的支持 1 。2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 1 ，2 ，7 ，用户层 速率 高低 速度 1 0 1 0 0 1 0 0 0m b p sl 一1 2m b p s 升级能力局 中 费用设备费用高低 连接费用 低低 维护费用低高 厂商 多篮一 表4 - 1 工业以太网与现场总线的性能比较 4 1 4 工业以太网的特点和优势 工业以太网的优势主要体现在以下几个方面： 1 工业以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制 网络得以统一； 2 以太网是当前应用最为广泛的网络技术，拥有广泛的技术支持； 3 网络的实时性强，经过不断的技术更新，以太网用于工业控制的高实时 性更加显著； 4 采用交换机，接入网络的节点各自独占一条线路，避免了冲突； 5 响应时闻大大缩短，据有关部门的分析，1 2 6 个节点的1 0 0 m 交换式以太 网的响应时间仅为2 3 m s ，几乎可以满足各种控制系统的要求； 6 现代以太网采用非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力与4 2 0 m a 模拟传输线 3 7 河海大学工程硕士学位论文南通新江海河水闸实时监涮与控制系统研究 路相当，如果需要更强的抗干扰能力可以采用屏蔽双绞线或光纤通讯； 7 以太网更易于与i n t e r n e t 集成，为实现工业企业完全信息化和管理控 制网络一体化提供可能。 另外，针对闸门自动监控系统而言，与其它现场总线网络相比，工业以太 网还具有其独特的优势。 例如，由于工业以太网t c p i p 协议支持多用户和多任务工作方式。因此在 系统的监控级可以利用以太网实现监控主机的双机冗余热备工作方式。监控级的 两台监控主机均通过交换机接入以太网。两台监控主机可同时监控各现地控制单 元，也可预选一台为主监控机，另一台为备用机，当主机出现故障时，自动切 换备用机为主机。这点用现场总线实现是十分困难的。 由于工业以太网中的各个站都具有一个唯一的i p 地址，因此在现地级各 监控单元的p l c 也可以通过工业以太网调用其他监控单元的p l c 的数据信息， 如上下游水位、闸门的状态等。系统的接线可以接一般的网络，相当简单。 对于工业以太网结构，为了保障系统的可靠性，可以使用环形拓扑结构： 单环或双环结构。在单环结构中，如果环网某处出现故障，则控制网络在故障处 断开，除了故障处的站点外，网络上的各站点仍可以通过单一的方向互相通讯， 系统仍能正常运行；在双环结构中。如果环网某处出现故障，系统会自动选择 另一环网作为传输通道。这样可使系统的可靠性得到很大提高。 以上这些功能如果要通过现场总线是很难实现的。 在与传统现场总线的对比中，工业以太网具有较为明显的优势，并且能够 完全胜任控制环境中对实时性、可靠性、抗干扰性的严格要求，工业以太网可作 为控制网络的最佳解决方案。因此有许多闸门自动监控系统的现地级控制网络选 用了工业以太网方式。 4 1 5 工业以太网存在的问题及解决方法 1 实时性问题 工业现场控制要求控制系统能够准确及时的刷新某些参数，这就要求控制 网络具有实时性和确定性。传统的以太网采用c s 姒c d ( 带有冲突检测的载波侦 听多路存取) 碰撞检测方式，本质上是非实时的，网络负荷较大时，网络传输的 不确定性不能满足工业控制的实时要求。工业以太网在改善自身的确定性和实时 第四章敷据传输 性方面，目前采取的主要措施有： ( 1 ) 提高通信速率。在相同通信量的条件下，提高通信速率可以减少通信信 号占用传输介质的时间，从而可以减少信号的碰撞，从一定程度上提高了网络 的确定性。 ( 2 ) 控制网络负荷。减轻网络负荷可以减少信号的碰撞冲突，提高网络通信 的确定性。由于在闸门监控系统中网络上的传输数据量很小，对于1 佣l o 筛以 太网的通信负荷而言，因碰撞而引起的传输延迟几乎可以忽略不计。 ( 3 ) 采用以太网的交换技术。采用以太网交换机，将网络切分为多个网段， 就为联结在其端口上的每个节点提供了独立的带宽，相当于每个设备独占一个 网段，使同一个交换机上的不同设备之间不存在资源争夺。从而有效地降低了各 网段和主干网络的负荷，使网络中产生冲突的可能性大大降低，提高了网络通信 的确定性。 ( 4 ) 如网络中有其他数据流( 例如视频流) ，应采用以太网中的流量控制技 术，保证控制数据流的畅通。 采取上述措施虽然效果显著，但只能从某种程度上缓解网络通信的非确定 性，并不能够从根本上改变工业以太网非确定性性质。所以，在改进工业以太网 的实时性和确定性方面今后还有很多工作要做。 2 对环境的适应性和可靠性问题 以太网是为办公室应用而设计的。而工业现场环境比较恶劣，在设计、选择 工业以太网产品时，必须考虑所用设备是否符合温度、湿度、强度、振动、干扰、 辐射、灰尘等的要求，还要考虑设备在工业现场安装的方便性。 3 本质安全问题 本质安全性指网络设备的保护等级和防爆性能。工业现场对人员和设备的安 全要求很高，要求现场控制设备具有本质安全特性，也就是说任何情况下都不 能引起大的设备损坏和人员伤亡事故。在危险性工业场合应用的网络设备需要通 过相应的安全认证，在防爆应用中要对工业以太网系统采取隔爆和防爆的措施， 可通过对工业以太网现场设备( 包括安装在现场的以太网交换机) 采取增安、气 密、浇封等隔爆措施，使设备本身的故障产生的电火花能量不会外泄，以保证系 统使用的安全性。 河海大学工程硕士学位论文南通新江海河水闸实时监测与控制系统研究 4 网络安全问题 对于工业以太网，安全问题需要考虑来自外部和内部两个方面的因素。外部 主要是防范外部网络的恶意攻击，限制外部网络非信任终端对内部网络资源的 访问；内部主要是防止来自内部网络的攻击和对控制域资源的非授权访问；除 以上两点外。还要能提供工程技术人员和设备供应商远程故障诊断和技术支持 的保障。 对此，一般可采用网络隔离( 如网关隔离) 的办法，将内部控制网络与外部 网络系统分开。外部网络系统和内部控制网络系统的隔离通过具有过滤功能的交 换机来实现，该交换机除了实现正常的以太网交换功能外，还作为控制网络与 外界的惟一接口，在网络层中对数据包实施有选择地通过( 即所谓的包过滤技 术) 。此外，还可以通过引进防火墙机制，防止攻击。 4 1 6 工业以太网技术的发展 以以太网为代表的非确定型网络由于在重载下，数据冲突和端口竞争显著增 加导致通讯效率显著降低，并且为了识别无效帧而规定了最小帧传输长度( 如 6 4 b y t e 或者更高) ，因此不适合于传递单个数据量，否则造成显著的传输带宽浪 费。加之其传输时延不可确定的致命缺点，因此在早期被认为不适合于工业控制。 以太网并不是为工业控制系统专门开发的网络系统，它更适合于办公自动化 等对实时性要求不很高的领域，更适合于突发性数据传输领域。即使在今天，以 太网也面临着技术上需要进一步飞跃，以满足人们对音频和视频等实时服务不断 增加的需求，人们开始在以太网技术中引入流量控制等技术，由于本质上以太网 是一种竞争性网络，因此在网络通讯的第二层无法实现流量控制，目前解决办法 就是在第四层增加一些流量控制手段，但从目前的技术发展来看，以太网的流量 控制解决得还不是很理想。 但是以太网不仅价格低廉，而且最近几年技术发展十分迅速，不仅结构上出 现了交换式以太网，而且通讯速率也己经突破1 g b s ，因此可以用其高速率来降 低其通讯负荷和传输时延，因此最近在许多工业控制系统中得到了使用。 4 2 基于以太网的闸门监控系统 4 2 1 基于以太网的闸门自动监控系统网络结构 第四章数据传输 系统主要由可编程控制器、以太网交换机、水位传感器、闸位传感器、智能 电量表、光端机、闸门现地控制单元、监控工控机、视频监控摄像头、视频监控 主机、服务器和远程管理工作站等设备组成。具体结构如图4 1 所示。由图4 - 1 可以看出，整个闸门自动监控系统被分成3 个层次：第1 层是联接上级管理部 门内局域网的管理信息层，称之为管理级；第2 层是闸管所内部局域网上互相 联网的监控主机和服务器等，称之为监控级；第3 层是现场各设备的网络层， 称之为现地级1 2 6 1 。 图4 - 2 基于工业以太网的闸门自动监控系统组嚼图 4 2 2 系统硬件组成及功能 现地控制级设于近设备端，一般布设在启闭机室，由可编程控制器和输出继 电器等设备组成，下接各类传感器与执行机构的输入输出信息点，采集设备运 行参数和状态信号；上接控制级工控主机的监测监控命令，并上传现场的实时 信息，实施对现场执行机构的逻辑控制。 现地级采用具有以太网模块的p l c ，配置其它模块组成多套现地监控单元。 工业以太网通讯处理模块完成现地级的以太网通讯，采用超5 类双绞线与监控 4 1 河海大学工程硕士学位论文 南通新江海河水闸实时监铡与控制系统研究 级的交换枧相连，将现地级的各种实时信息传递给控制工控机。监控级采用双机 冗余热备方式，两台监控主机采用工控机，均接入以太网。系统配有数据服务器， 用于记录实时数据、参数数据和历史数据，便于用户查询。 整个闸门监控系统通过以太网贯穿，可进行极快的直接通信，实现了闸门 监控和管理信息的无缝集成。并利用以太网同时传输数据、语音和图像等信息， 可以同步进行监控软件和各种编辑软件，实现远程修改程序参数。 4 3 数据传输协议 t c p i p 协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 称为传 输控制网际协议，又叫网络通讯协议，这个协议是i n t e r n e t 国际互联网络的基 础。t c p i p 是网络中使用的基本的通信协议。虽然从名字上看t c p i p 包括两个 协议，传输控制协议( t c p ) 和网际协议( i p ) ，但t c p i p 实际上是一组协议，它包 括上百个各种功能的协议，如：远程登录、文件传输和电子邮件等，而t c p 协议 和i p 协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议。通常说t c p i p 是 i n t e r n e t 协议族，而不单是t c p 和i p 。t c p i p 是用于计算机通信的一组协议， 我们通常称它为t c p i p 协议族。它是7 0 年代中期美国国防部为其a r p a n e t 广域 网开发的网络体系结构和协议标准，以它为基础组建的i n t e r n e t 是目前国际上 规模最大的计算机网络，正因为i n t e r n e t 的广泛使用，使得t c p i p 成了事实上 的标准。 异构型网络之间互连的最大困难在于不同协议之间的转换，n 台异构计算机 要实现通信互连，必须进行n ( n - 1 ) 次协议转换。于是出现了各种操作系统均支 持t c p i p 协议，这样，多台异构计算机通信，只需n 次协议转换，编写t c p i p 协 议技持下的通信程序，就可以实现互连互通。 4 3 1t c p i p 协议的组成 t c p i p 是一组完整的网络协议【2 一对照i s 咖s i 七层模型，t c p i p 协议组的 体系结构如图4 - 2 所示。t c p 对应传输层，它保证信息的可靠传输。i p 提供网络 层服务，完成结点的编址、寻址和信息的分拆和打包。其中网络层的主要功能【2 9 l ： 第四章数据传输 图4 - 3t c p i p 协议组体系结构 i p 网闻协议，负责主桃闻数据传输的路由及网络数据的存储，同时为 i