（电力电子与电力传动专业论文）城市供水系统自动控制与远程监控技术.pdf

s u b j e e t a u t o m a t i o na n dr e m o t e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y i nt h e m u n i c i p a lw a t e rs u p p l y s y s t e m s p e c i a l t y p o w e re l e c t r o n i c s p o w e rd r i v e s n a m e l ix i a o m i a n i n s t r u c t o r t o n g ju n a b s t r a c t s i g n a t u r e 兰z 笸纽丝 塑 s i g n a t u r e i nr e c e n ty e a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n t h e r ei sa n i n c r e a s i n gd e m a n do fe n t e r p r i s ei n f o r m a t i o n m a j o r i t yo fm i d d l ea n ds m a l ls c a l ec i t yw a t e r s u p p l ye n t e r p r i s e f a c e d 谢t l la u t o m a t i cc o n t r o la n dd i s p a t c hm a n a g e m e n tt r a n s f o r m a t i o n q u e s t i o ni nw a t e rs u p p l ys y s t e m i nt h i sa r t i c l e t h er e m o t em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e d t ot h ew h o l ew a t e rs u p p l yc o n t r o ls y s t e m as o r to fs u p p l ym o n i t o r sa n dd i s p a t c h e st h e m a n a g e m e n ts y s t e mo fc i t yw a t e ri s s e tu p w h i c hu n i f i e st h ea u t o m a t i cc o n t r o la n dt h e c o m m u n i c a t i o n w h i c hu n i f i e st h er e a l t i m em o n i t o r i n ga n dt h ef o r e c a s tm o n i t o r i n g n l er e s e a r c ht a r g e to ft h i sa r t i c l ei st or e s o l v ea u t o m a t i cc o n t r o lp r o b l e ma n dr e m o t e m o n i t o r i n gf o r w a t e r s u p p l ye n t e r p r i s e i n c l u d et h ef o r e c a s tm o n i t o r i n ga n dr e a l t i m e m o n i t o r i n g f o rt h i sa i m b a s e do nt h ea c t u a le n g i n e e r i n g s o m er e s e a r c hp r o s p e c t si nt h ef i e l d a r ep r o p o s e d f i s t l y t h ed e s i g no ft h ef o r e c a s tm o n i t o r i n gs y s t e mo fd i s p a t c hm a n a g e m e n ti s e l a b o r a t e d a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e lo ft h ef o r e c a s tm o n i t o r i n gs y s t e mi sa n a l y z e d t h e m e t h 9 dt or e a l i z et h ef o r e c a s tm o n i t o r i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d s e c o n d l y a i m i n ga tt h ed e s i g n o ft h 娥a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e m t h ek e yt e c h n i c a ls o l u t i o ni sd i s c u s s e di nd e t a i l s u c ha s t h e 珈旧蝴o fc a l lt h ed a t a b a s e t h em e t h o do fm a k i n gr e p o r tf o r mb a s e do ne x c e l n e x t a i n 啦培a tt e m o t ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i n d u s t r ye n t h e m e t m i c r o w a v ec o m u i n i c a t i o n t e c h n o l o g y f i e l d b u sa n dj o i n to ft h e ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a tt h es a m et i m e s o m e i m p o r t a n tc o n t r o lc e l l si nw a t e rs u p p l ya r ep r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o ns u c ha sp u m p i n g s t a t i o na n dw e l l h e a ds t a t i o n f i n a l l y f u n c t i o nr u nr e s u l to ft h ew h o l es y s t e mi sd i s c u s s e di n t h ea r t i c l e k e y w o r d s r e m o t em o n i t o r i n g l o c a lc o n t r o ln e u r a ln e t w o r k i f i xv i s u a lb a s i c t r a n s d u c e rt i m i n g t h e s i s a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西妻料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明 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 其取得研究成果 尽我所知 除了文中加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 套d 嘶日期 乃田 矿 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学 学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版 本人允许论文被查阅和借阅 学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文 同时本人保证 毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名 爸 绵 指导教师签名 专罨 淞 年6 其6e t 1 绪论 1 1 本课题研究的背景及实际意义 1 绪论 我国供水行业是推动水工业科技产业的龙头 给水行业是城市基础设施投资的主要 方向之一 我国现有的6 6 6 个城市中已有水厂3 0 0 0 个 综合供水能力达1 0 6 0 0 万吨 日 我国现有的各市甚至各县都有各自的自来水公司 并且各自来水公司基本处在本地区的 垄断地位 大部分自来水公司人员 机构臃肿 劳动生产率低下 在体制上 供水企业 体制的变革已成为市场发展的必然 在技术上 供水行业则面临着关键给水技术装备国 产化 工艺技术成套化 自动控制现代化的迫切技术要求 l 2 随着社会经济的发展 水对人民生活与生产的影响日益加强 对供水的质量与安全 可靠性的要求不断提高 如今人们更加重视降低供水系统的能耗 为此 一项重要而有 效的措施就是加强供水系统工况的监测 尤其是加强水厂各个工艺环节的自动预测和实 时监控嘲 研究城市供水系统的监控与水厂自动化技术装备 必须考虑中国供水行业的技术特 点与经济力量 我国水厂的基本现状是 水工业整体技术水平低 特别缺乏供水系统监 控技术与人才 水工业仪表与装备基础薄弱 国产的专用水质在线检测仪表及主要装备 性能难以满足供水企业的需要 受社会经济发展水平限制 供水企业经济实力不足 除 了少数较大型企业有能力通过贷款等方式引进国外的先进技术与设备 发展供水监控系 统外 多数的中水水厂面临的是缺资金 少技术 进口设备买不起 国产设备质量不过 关的局面 这些情况决定了发展中国供水行业的现代化不能全盘照搬西方发达国家的经 验 要形成有中国特色的技术路线 开发出有效地提高供水系统的工作质量及供水的 安全可靠性 降低供水成本 推进我国供水系统监控现代化的进程 具有很显著的社会 效益与经济效益的系统1 4 国外自6 0 7 0 年代起开始了供水系统自动监控的研究与应用工作 尤其是白8 0 年 代以来 微电子等现代科技高速发展 水工业专用检测仪表与装备不断发展 水工业专 用检测仪表与装备不断发展与完善 相应地推动供水系统的自动监控技术有了质的飞 跃 加之西方发达国家雄厚经济实力与技术基础 供水系统的自动监控已得到普遍应用 一些水厂己实现全自运行 能对生产工艺的各个环节连续自动地监测 调节 记录 报 警等等 这种高度自动化运行的模式是符合西方国情特点的 西方许多国家人力资源紧 张 人工费用往往占生产成本构成的比重较大 而仪表设备费相对较低 加之设备质量 可靠 高度自动化节省了人力资源也就是获取了较高的经济效益 西方也有相当多的水 厂仅对一些影响处理水质及费用关键工艺环节实施自动控制 而对各个工艺阶段的主要 西安科技大学硕士学位论文 水质与运行参数进行自动监测 这是一种经济高效的自动监控方案 值得借鉴 5 嘲 国 外的水厂监控普遍采用集散式系统 对各个工艺单元进行分散控制减小了各控制环节之 间的干扰 提高了工作的可靠性 对全厂的集中监控 又保证了统一指挥 调度的灵活 性 我国自8 0 年代中后期起 陆续有一些较大型的水厂利用外资建设 同时引进了成 套的水厂现代化监控仪表与设备 而且现在城市地面水厂的建设规模大概为 1 0 3 0 1 0 4m 3 d 不少城市己开始建设 5 0 1 0 0 1 0 4 m 3 d 的水厂 刀 面对建设规模如此迅 速的发展 以及人民生活水平的不断改善 对城市给水系统的要求也越来越高 供水量 及给水系统的规模在不断地扩大 给水系统调度管理的复杂性也随之提高 同时节能问 题也成了水厂关心的重要问题 面对能源危机和水源危机的情况下 城市给水系统是合理利用水资源的重要一环 必须在确保整个给水系统安全可靠供水的前提下 以节能 节水为目标 进行现代化设 计和改造 即 应用现代控制理论及相关数学方法 针对城市的水量 水压等信息及整个 管网与泵站的配置来建立一定的数学模型 引入先进的计算机进行优化计算 通过现代 的控制工程使给水系统在最佳状态下工作 不仅使系统安全可靠地满足用户所需的水 量 水压和水质 而且要经济合理地进行给水系统的调度管理和运行 这便是本文所涉 及的课题 给水系统的优化调度 针对我国的技术经济条件 不同规模水厂迫切需要解决的问题有所不同 近年来 建设的较大型的水厂应用经验 并向优化运行方面发展 实现了水平较高的自动监控系 统 为水厂自动监控技术的进步提供借鉴与指导 8 1 本课题对于众多的中小型水厂的改 造工程 具有实际的研究意义 1 2 本课题研究领域的国内外研究动态和发展趋势 在国外 水厂的调度是一个很热门的命题 有的公司己推出水厂的仿真模拟系统和 运用基因算法实现大型供水管网调度软件包 国内除了一些大城市的水厂开始考虑或试 验供水的调度问题外 其它供水公司在水厂的自动化一般只考虑计算机的监控 即供水 企业自动化的第一级 自动控制 和第二级 实时监控 目前我国水工业的自动化水平虽然不高 但随着社会的发展 供水企业的自动控制 和优化的研究将会变得越来越重要 今后的研究方向将主要集中在以下几个方面i 川 1 完全开放式的控制系统 自动化领域的发展趋势之一是控制系统的智能化 分散化 网络化 而现场总线的 倔起正是这一发展趋势的标志 当前我国水工业自动化的主流水平处于以i p c 十p l c 为基础的集散型控制系统阶段 与早期的一些控制系统相比 该系统在功能和性能上有 了很大进步 可以在此基础上实现装置级 车间级的优化和分散控制 但其仍然是一种 2 1 绪论 模拟数字混合系统 从现场到p l c 或计算机之间的检测 反馈与操作指令等信号传递 仍旧依靠大量的一对一的布线来实现 这种信号传递关系称之为信号传输 而不是数据 通信 难以实现仪表之间的信息交换 因而呼唤着具备通信功能的 传输信号全数字化 的仪表与系统的出现 从而由集散控制过渡到彻底的分散控制 正是在这种需求的驱动 下 自2 0 世纪8 0 年代中期起 现场总线控制系统 f c s 便应运而生 在现场总线控制 系统 f c s 的环境下 借助其计算和通信能力 在现场就可进行许多复杂计算 形成真 正分散在现场的完整的控制系统 提高了系统的自治性和可靠性 2 管控一体化 在市场经济与信息时代的飞速发展中 企业内部之间以及与外部交换信息的需求不 断扩大 现代工业企业对生产的管理要求不断提高 这种要求已不局限于通常意义上的 对生产现场状态的监测和控制 同时还要求把现场信息和管理信息结合起来 管控一体 化就是建立全集成的 开放的 全厂综合自动化的信息平台 把企业的横向通信 同一 层不同节点的通信 和纵向通信 上 下层之间的通信 紧密联系在一起 通过对经营决策 管理 计划 调度 过程优化 故障诊断 现场控制等信息的综合处理 形成一个意义 更广泛的综合管理系统 供水企业的管控一体化包括用水用户管理 水费管理等等 目前我国不少城市已经 在采用智能水表系统 例如浙大飞腾科技有限公司开发的远程智能水表系统l 通过该 系统构成的平台 自来水公司通过专门的软件系统可以通过电话线 城域网等联网方式 对全市所有安装了智能水表的用户进行自动抄表 利用该系统 不但能实现用水的自动 管理 也能对全市的各小区的供水压力 流量的供水指标实时检测 3 各种优化模型的研究与应用 实现供水企业的最佳效益运行 各种优化模型的研究和应用是关键 在国内企业已 经基本实现了第一级的基础生产单元自动化的基础上 这一点显得尤为重要 其中工况 预测模型 供水管网故障模型 供水管网水力模型 城市用水量预测模型 泵站的多目 标调度模型都是研究的热点 随着城市供水要求的越来越高以及节能的需要 基于上述模型的优化调度在水工 业的应用将会越来越多 1 3 本文的主要任务和工作 本课题主要是对长治市辛安引水工程自动控制和远程监控系统的研究和设计 实现 全市供水系统的统一调度和生产管理 整个系统的设计分为三大部分 调度中心远程控 制系统 中控室 现场控制系统 数据通信系统 其中 调度中心远程监控系统包括 实时远程监控系统和预测远程监控系统 控制方式分为三种 手动控制 自动控制和远 程控制 3 耋耋茎兰垄兰2 三茎竺兰耋 1 4 本章小结 城市供水是城市基础设施建设的主要方向之一 目前 我国大部分中小型城市面临 供水系统实现自动控制和远程监控的问题 这是本论文选题的背景 在此基础上 本章 首先阐述了论文研究的实际意义 接着 论述了城市供水自动控制系统国内外最新发展 动态以及与本论文相关技术的发展现状 进一步说明课题研究的必要性 最后 介绍了 论文的主要任务和主要工作 4 2 系统构成及通信网络 2 系统构成及通信网络 2 1 概述 引水工程规模为1 7 2 8 万吨 日 工程内容主要包括水源地 一级加压泵站 二级 加压泵站 关村水厂和马厂水厂 台上泵站 净水厂 公司总调度中心等的自动控制及 远程监控系统 引水路线分东线和西线 东线包括水源地 一级加压泵站 二级加压泵站 关村水 厂和马厂水厂 西线包括台上泵站 净水厂 东线水源地是地下水 水源地在距市区4 0 公里的山区河床上 由s t i 井 1 群井群 2 井群组成 从上游的s t l 井到下游的硝井 群相距1 1 0 0 米 一级泵站距离水源地1 群井群直线距离大约1 0 0 0 米 二级泵站距离一级 泵站3 3 0 0 米 关村水厂和调度中心在市区 距离二级泵站3 0 公里左右 西线水源地是 地表水 台上泵站距市区十几公里 净水厂距市区2 4 公里 现场站点分布如图2 1 所 示 图2 1 现场站点分布图 2 2 系统设计的思路和总体方案 2 2 1 技术思路 本供水系统是先进工艺技术 通信技术 自控技术等高科技的系统综合 为此 通 过研究综合分析国内供水技术的不足及结合国内外技术的发展 提出了如下设计思路来 5 西安科技大学硕士学位论文 设计供水自动控制及远程监控系统 1 控制设备选型 选择控制设备不仅要满足控制要求 又要注意经济性 在关键控制设备上选择进 口设备 运行的可靠性相对较高 如p l c 由于国外产品技术成熟而且价格便宜 可直接 用国外产品 2 合理组型 随着技术的进步 新设备更新很快 没有必要追求最高级与最好 而应当根据实 际需要 选用技术成熟 性价比好 根据需求进行适当改进并可应用的设备 3 统一控制 系统的配置 既要兼顾自控系统的整体性 又要考虑到各控制单元的自控制系统 的独立性 通过设计将不同品牌的设备合理布置在一个供水控制系统当中 将孤立的局 部自动化技术和子系统 有机地结合起来 构成一个完整的系统控制自动化技术 控制 采用集中管理分散采集的控制方式 这样有利于节约现场布线和简化现场维护 节省投 资 并提高了可靠性 2 2 2 技术方案 现代化的城市系统需要实现管理与控制一体化 控制系统不仅与下层控制设备有良 好的接口 而且具有与上层管理系统集成的接口 同时具有可扩展性 所以现代化城市 供水系统要求在底层采用集散或总线技术 上层则选用优秀的监控组态软件 为了加强 系统的可靠性 使整个系统能够长时间无故障地运行 需要采用容错技术 根据集成自 动化的思想 将供水控制系统分为管理级 控制级 现场级的三层网络体系结构 l 系统由三级组成 即上位机 控制主站 p l c 和控制从站 主站与从站之间采用 i n t e r a c t 通信方式 上位机作为显示及控制终端 需要安装组态软件 通过以太网采集 p l c 的数据并在监控画面上进行显示 为保证系统可靠性 适应现场分布性强的控制特 点 我们采用远程的f o 直接到现场采集信号 控制系统总体设计如图2 2 所示 图2 2 系统总体设计方案 6 2 系统构成及通信网络 2 2 3 系统硬件组成 根据控制系统的总体方案 其硬件组成可大体分为以下几个方面 1 上位机 i p c 上位机主要完成人机界面 h m i 的交互功能 2 通信链路 通信链路负责上下位机之间以怎样的方式进行通信 介质如何选择 3 可编程控制器p l c p l c 是控制系统的关键环节 执行用户的控制程序 4 控制总线 控制总线以一定方式来传输现场信号 5 远程i o p l c 与信号模块的接口模块 6 信号模块 用于p l c 与现场执行机构之间信号的传递 有时 为了实现某种功能还要进行硬件扩充 本章根据控制任务来确定控制系统的 硬件组成 2 2 4 系统构成 根据设计方案 系统设计如图2 3 所示 1 管理层 水厂调度中心 是系统的核心部分 完成对供水过程各部分的管理 和控制 并实现厂级的办公自动化 管理层提供系统的人机界面并与厂管理层沟通 是 整个系统与外部信息交换的窗口 管理级具有控制操作功能 状态显示功能 数据处理 功能 报警功能 报表功能管理层的各台计算机具有互相通信的功能 实现数据交换或 共享 以及共享一些昂贵的硬件或软件资源 管理监控层包括1 台服务器和l o 个操作站 服务器和3 台远程监控操作站安方在 调度中心 中控室 水源地操作站 加压泵站操作站 关村水厂操作站 马厂水厂操 作站等都安装在各自现场车问控制室 调度中心服务器和3 台操作站采用1 0 0 m 光纤工 业以太网冗余环通信 水源地和加压泵站也组成l o o m 光纤工业以太网冗余环 调度中 心和各个现场控制站通过以太网无线扩频器 以微波为介质 实现无线以太网通信 调度中心对现场控制站进行远程控制 可以随时访问现场控制站 系统共设计有7 个现场控制站 各个现场控制站都设有操作员站 每个现场工作站只能采集所在区域的 p l c 数据 并负责监控和管理该现场设备 同时还可以接收上级调度指令 上传命令请 求 采集到的数据可以存在数据库 包括实时数据库和历史数据库 但不能访问调度中 心控制系统 2 控制层 现场控制站 是实现系统功能的关键 其主要功能是接受管理层设 置的参数或命令 对供水过程进行控制 将现场参数如压力 流量 液位等数据上传 输送到管理层 控制层采用光纤环工业以太网 负责对现场数据的采集 处理传输 3 设备层根据现场设备的分部情况 采用i n t e r b u s 现场总线和m b 方式 构成远程i o 系统适合现场分别性强的控制特点 如送水泵房系统要采集泵的运行 停 7 西安科技大学硕士学位论文 止 故障 泵的出水压力 泵进出口阀门的各种状态信号等 根据实际情况 选择一定 点数的输入输出模块 直接安装在送水泵系统的附近 通过总线连接到主控器 这样就 可以甩掉大量的控制电缆 节省投资和增加自控系统的可靠性 2 3 系统硬件选型 图2 3 供水系统自动控制及综合调度结构示意图 2 3 1 上位机的选用 在控制系统中 上位机侧重于管理 上位机就功能来说 可分为服务器和客户机 二者对可靠性的要求不同 在中小型控制系统中 所有功能都集中在一台计算机 没有 服务器和客户机之分 在大型控制系统中 则服务器和客户机要求分开 上位机一般情 况下要安装组态软件 主要完成设备状态监视 现场数据记录 报警显示 趋势曲线绘 制 工业参数设置 打印输出等 是人机交互的主要手段 工业控制的上位机一般选用工业控制计算机 i p c 简称工控机 作为一种具备特殊 性能的计算机 工控机能够在苛刻的外界环境下连续长时问的稳定运行 结构扩充性能 8 2 系统构成及通信网络 好 电压适用范围宽 各种i o 设备配套齐全 对普通p c 软件完全兼容 但价格也相 对昂贵 上位机主服务器选用i b m a 5 28 2 8 8 d 3 2 3 2 g h z 8 0 g b 2 5 6 m b 操作员站选用研 华工控机i p c 6 1 0 2 4 g h z 4 0 g b 2 5 6 m d d r l 其价格和性能相对适中 能满足控制系统 的监控要求 2 3 2 p l c 的选型 由于p l c 是开发本自控系统的核心主体 本系统控制器选用法国施耐德公司 q u a n t u m 系列p l c 作为主要的控制器 该系列p l c 是施耐德公司近年主推的p l c 产品 采用成熟 先进的技术 q u a n t u m 系列p l c 已经成熟的应用到国内外许多领域 在国 内外许多水厂 污水厂 电厂等广泛应用 各个模块的具体型号见第五章 q u a n t u m 系列p l c 控制和处理系统接受过程变量的输入信号 然后按照组态数据 的要求对输入信号进行处理 存放到相应的数据库中显示或计算 传送输出信号至最终 控制单元 在i o 信号处理方面 系统对模拟量提供线性化 补偿 累积 开方和报警功能系 统对开关量提供报警和状态变化的检测 系统能够完成调节控制 联锁逻辑 手动操作 由标准算法或用户程序组合而成的 自动顺序 调节控制功能包括各种p i d 算法 反馈 前馈 开关 比率 超前 滞后等 标准计算 加 减 乘 除 符合运算等 基本的控制功能 开关 限幅 高 氐选择 等 自适应控制功能 联锁控制功能包括用于调节控制的布尔逻辑和用于开关控制的 梯形逻辑 顺序控制功能可以执行启停顺序 批量处理或任何预先定义的程序步骤 控制器具有非易失性内存 在供电中断情况下能保存内存数据七天以上 现场控制 站可以支持来自现场设备的各种输入和输出信号 所有的输入和输出电路都能防止信号 过载 瞬变和浪涌冲击 2 4 系统通信网络 为了实现全市供水系统的统一调度和生产管理 系统主干网络采用1 0 0 m b 光纤冗 余环工业以太网 系统中每个厂站均有1 0 0 m7 业以太网 利用以太网无线扩频器 采 用微波通信技术将所有厂站连接起来 形成以太网远距离访问 使各水源地 加压泵站 供水水厂连成一个统一网络 2 4 1 光纤工业以太网冗余环 光通信和电通信一样分无线光通信和有线光通信 无线光通信因环境限制 主要 用于深空通信 有线光通信即光纤通信 是以光纤为传输媒质的通信方式 由于光纤通 9 西安科技大学硕士学位论文 信系统的发展是建立在光纤器件技术的基础上 近年来随着两大类光纤器件 光传输器 件和光交换器件 的发展而极为迅速1 1 2 光纤通信是以光波作为载体 以光导纤维作为 传输介质的一种先进通信手段 是2 0 世纪最有影响的新技术之一 由于光纤通信具有 许多突出优点 己成为现代通信传输方式的主要手段之一 光纤一由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成的 光纤通信基本原理 将信 号对半导体激光器和发光二极管进行调制 以光波为载体 光导纤维为传输介质 最后 利用光检测器件还原信号 光纤的电信号传送过程如图2 4 所示 电信叫亟h 丑嚣柚匦旧蝴 图2 4 光纤的电信号传送过程 光纤通信的有一下优点 频带宽 通信容量大 对于光纤来说带宽是无限的 光密集波分复用 d w d m 等技术的发展实现了可以在l 对光纤里的传输容量达到4 0 0 g b s1 1 3 1 d 损耗低 中继距离长 目前用石英光纤的损耗可低于o 2 d b k m 比其它任何传 输介质的损耗都低 中继距离可达1 0 0 k i n 抗电磁干扰 光纤是绝缘材料石英制成 它不受电磁场 雷电 工业电器 电 离层的变化和太阳黑子活动的干扰 d 具有数据 图像 语言三网合一的传输功能 使工业电视系统和自动控制系统 合并成为一个光纤通信网 光纤通信的缺点是光缆线路易受自然灾害和人为破坏 因此必须要有备用通道 1 光纤通信路由方案 网络电缆系统的布局以及工作站在电缆上访问和传送数据的方法都是网络拓扑结构 的一部分 自动化系统中越来越多地采用以太网作为其通讯和网络的主要媒体 但在这 个系统中恰恰对安全性最为重视 不允许出现电缆单一点故障而导致系统瘫痪的问题 最好的方案就是将以太网和环形拓扑结构结合在一起 形成环型以太网 总线结构的优缺点 总线拓朴结构的网络只有一条唯一的电缆干线 它以菊链的形 式连接一个接一个工作站 网络上任一节点都可以在总线上传送信息 同时信息可以被 总线上任一其它节点所接受 该结构的优点是简单灵活 容易增加新节点 通过总线通 信速度快 延迟小 某节点故障不会影响其它节点的正常工作 通信可靠性高 因此 总线结构适合工业现场的布局 其缺点是所有节点共用一条总线 难免不出现总线上信 息冲突和碰撞 争夺总线控制权的现象 一旦发生此现象 则网络的传输效率大大降低 再者干线电缆的故障将导致整个网络陷入瘫痪 1 0 2 系统构成及通信网络 环形网络拓扑结构不需要终结器的封闭型拓扑结构 它采用一根封闭成为环形的主 干电缆将网络上的所有的设备联结在一起 这种结构的一个优点就是为解决总线型以太 网的电缆单点故障问题奠定了基础 2 光纤工业冗余环以太网 采用光纤冗余以太网的网络结构 其适用范围很广 可以配置成为系统中的网络主 干 工厂级别网络系统甚至于w e b 应用中 光纤环的最大距离可达4 0 公里 故障排查 时间小于5 0 0 毫秒 终端设备可以支持诸如 p l c d c s 计算机 i o 模块 机器人 等 以太网的光纤通信需要第三方厂商的光电转换设备一工业以太网交换机 工业以 太网交换机通过简单的连接 就可以组成冗余的光纤以太网 最大网络冗余重构时间小 于3 0 m s 使得工业系统的可靠性 安全性增加 本系统的光纤环以太网系统中 采用 德国赫斯曼公司的卡轨式以太网交换机 具体型号主要为r s 2 f x s m f x s m 交换机 光缆采用单膜光缆 单模光纤的理论传输极限可以达到5 0 t b s 满足传输距离最远站点 的要求 光纤冗余环工业以太网结构如图2 5 所示 图2 5 工业以太网的冗余环结构 r s 2 f x s m f x s m 卡轨式以太网交换机的一个重要特征为高速环的概念传输过程 中的故障将在小于5 0 0 m s 内被查出 并且将数据切换到冗余通道 这一功能可通过交换 机上的d i p 开关实现 这种功能将确保终端网络和系统的可靠性 也可用于对已运行的 网络的扩展 卡轨式交换机r s 2 f x s m i s m 带有s n m p 管理单元并集成有基于w e b 的管理 系统 它具有5 个双绞线接口和2 个双绞线 光纤接口 2 4 v 运行电压可设置冗余 在终 端块内的附加触点允许直接读取状态信息 集成在内的l e d 显示器便于现场快速安装 每台交换机下面可以挂多台p l c 和计算机等设备 p l c 连接到交换机的最大距离为 1 0 0 m 通过交换机转换设备组成的光纤以太网通信距离最大可以达到3 0 k i n 由于交换 机具有透明的数据传输性能 所以不需要关心转换设备的协议 通信协议可无缝畅通的 在转换设备和p l c 之问实现 卡轨式交换机性能指标如表2 1 示 西安科技大学硕士学位论文 表2 1 卡轨式交换机性能 型号r s 2 一f x s m f x s m 接口 其他接口 技术 运行电压 d i p 开关 最大范围 t p 线长度 l e d 指示器 保护 2 端口1 0 0 b a s e t x 单膜 全双工 s c 连接头 5 端口1 0 1 0 0 b a s e t x i u 4 5 带屏蔽 1 0 m b i t s 以太网 1 0 0m b i t s 快速以太网 2 x 2 4 v d c 使能后备模式 使能冗余模式 多膜f o 5 0 6 2 5 u m 光纤 最远距离3 0 0 0 m 材b 6 2 5 1 2 5 u m 光纤 最远距离3 0 0 0 m 1l d b 单膜f o 1 0 1 2 5 u m 光纤 最远距离4 0 0 0 0 m l l d b 1 0 0 m 电源 数据 各端口连接状态 故障 待机 冗余管理功能 i p 2 0 2 4 2 微波通信技术 1 微波通信技术概述 采用微波通信技术1 1 4 实现中控室与各个现场控制站以太网之间信息传递 微波 通信 m i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o n 是使用波长在0 1 毫米至1 米之间的电磁波 微 波进行的通信 微波通信不需要固体介质 当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波 传送 由于微波具有频率高 频带宽 信息量大的特点 所以被广泛应用于各种通信业 务 如电话 电报 数据 传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输 微波通信具有 良好的抗灾性能 对水灾 风灾以及地震等自然灾害 微波通信一般都不受影响 微波通 信方式包括微波多路通信 微波中继通信 移动通信和卫星通信 我国微波通信广泛应用l s c x 诸频段 k 频段的应用尚在开发之中 由于微波 的频率极高 波长又很短 其在空中的传播特性与光波相近 也就是直线前进 遇到阻挡就 被反射或被阻断 因此微波通信的主要方式是视距通信 超过视距以后需要中继转发 一 般说来 由于地球幽面的影响以及空间传输的损耗 每隔5 0 公里左右 就需要设置中继站 将电波放大转发而延伸 这种通信方式 也称为微波中继通信或称微波接力通信 长距离 微波通信干线可以经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量 当数字信号被转发时 实际上是将原始的 未变形的 且无噪声的信号重新发送 该过程被称之为波形再生 再生一个数字信号的设备被称之为中继器 微波站的设备包括天线 收发信机 调制器 多路复用设备以及电源设备 自动控 制设备等 为了把电波聚集起来成为波束 送至远方 一般都采用抛物面天线 其聚焦作用 1 2 2 系统构成及通信网络 可大大增加传送距离 多个收发信机可以共同使用一个天线而互不干扰 我国现用微波系 统在同一频段同一方向可以有六收六发同时工作 也可以八收八发同时工作以增加微波 电路的总体容量 多路复用设备有模拟和数字之分 模拟微波系统每个收发信机可以工 作于6 0 路 9 6 0 路 1 8 0 0 路或2 7 0 0 路通信 可用于不同容量等级的微波电路 数字微波 系统应用数字复用设备以3 0 路电话按时分复用原理组成一次群 进而可组成二次群1 2 0 路 三次群4 8 0 路 四次群1 9 2 0 路 并经过数字调制器调制于发射机上 在接收端经数字 解调器还原成多路电话i l 微波扩频通信目前在国内的重要应用领域之一是企事业单位组建i n t r a n e t 并接入 i s p 一般接入速率为6 4 k 2 m b p s 使用频段为2 4 g 一2 4 8 3 5 g h z 该频段属于工业自 由辐射频段 也是国内目前唯一不需要无委会批准的自由频段 微波扩频通信技术特点是利用伪随机码对输入信息进行扩展频谱编码处理 然后在 某个载频进行调制以便传输 属于中程宽带通信方式 微波扩频通信具有以下特点 建设无线微波扩频通信系统目前无需申请 带宽较高 建设周期短 一次性投资 建设简便 组网灵活 易于管理 设备可再次利用相连单位距离不能太远 并且两点直 线范围内不能有阻挡物 抗噪声和干扰能力强 具极强的抗窄带瞄准式干扰能力 适应 军事电子对抗 能与传统的调制方式共用频段 信息传输可靠性高 保密性强 伪随机 噪声使得不易发现信号的存在而有利于防止窃听 多址复用 可以采用码分复用实现多 址通信 设备使用寿命较长 扩频通信按调制方式可以划分为四种基本类型 直接序列扩频 d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m 简称d s s s 跳频扩频 f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m 简称f h s s 跳时扩频 t i m eh o p p i n gs p r e 甜s p e c t r u m 简称t h s s 宽带线性调频扩频 c h i r ps p r e a ds p e c t r u m 简称切普扩频 以上四种基本扩频系统各有优缺点 如果采用以上扩频技术的混合方式 技术折衷 而使其优势互补 则可以满足高要求的抗干扰指标 采用混合扩频技术系统所获得的扩 频增益等于其中所有单独扩频系统的扩频增益的总和 微波扩频系统按接入方式分为点 对点 点对多点两种 点对点方式是指连接的双方用一对微波扩频传输设备相连 一般通信速率为6 4 k b p s 2 m b p s 另外 可将若干点对点微波设备的通信信道进行复合 使得通信速率达到 1 0 m p b s 其应用场合为 为连接两个地点提供专用可靠的通信信道 且要求通信速率较 高 相应设备的价钱随通信速率的提高而增加 一般报价为5 2 0 万元 指一对设备 点对多点方式是指扩频系统含一个中心点和若干分布接入点 若干分布接入点以竞 争方式或固定分配方式分享中心点提供的总信道带宽 系统各分布接入点所分享的带宽 一般为6 4 k 一1 2 8 k b p s 总带宽一般为i m 2 m b p s 竞争方式可根据接入用户实时需要 分配总带宽 但缺点是竞争时将浪费带宽 造成拥挤 而以固定方式分享带宽可以保证 1 3 西安科技大擘硕士学住论文 传输带宽 但缺乏带宽实时分配的灵活性 其应用场合为 需组建一微波通信网络 包 括一个信息中心站和若干个分支接入站 分支接入站通过一条速率要求不高的通信信道 5 1 2 k b p s 访问中心站 并通过中心站访问到其它分支接入站 2 数据通信中的主要技术指标 1 数据传输速率 数据传输速率一每秒传输二进制信息的位数 单位为位 秒 记作b p s 或b s 计算公式 s l t l 0 9 2 n b p s 2 1 式中t 为一个数字脉冲信号的宽度 全宽码 或重复周期 归零码 单位为秒 n 为一个码 元所取的离散值个数 通常n 2 k 为二进制信息的位数 k l 0 9 2 n n 2 时 s 1 厂r 表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率 阍 d 信号传输速率 单位时间内通过信道传输的码元数 单位为波特 记作b a u d 计算公式 b i 厂r b a u d 2 2 式中t 为信号码元的宽度 单位为秒 信号传输速率 也称码元速率 调制速率或波特率 由 2 1 2 2 式得 s b l 0 9 2 nc o p s 2 3 或b s i 0 9 2 n0 3 a u a 2 4 2 信道容量 d 信道容量 信道容量表示一个信道的最大数据传输速率 单位 位 秒 b p s 信道容量与数据传 输速率的区别是 前者表示信道的最大数据传输速率 是信道传输数据能力的极限 而 后者是实际的数据传输速率 像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样 离散的信道容量 奈奎斯特 n y q u i s t 无噪声下的码元速率极限值b 与信道带宽h 的关系 b 2 h b a u d 2 5 奈奎斯特公式一无噪信道传输能力公式 c 2 h l 0 9 2 n b p s 2 6 式中h 为信道的带宽 即信道传输上 下限频率的差值 单位为h z n 为一个码元所 取的离散值个数 连续的信道容量 s h a n n o n 在信息中的有关信息容量的表达式为 c w l 0 9 2 i p n 2 7 式中 w 频带宽度 c 信道容量 p 信号功率 n 噪声功率 p n 为信噪比 通常把信噪比表 示成l o l g s n 分贝 d b 从表达式中可以看出 在保持c 不变的条件下 可以采用不同的 w 及p n 来传输信息 如果增加w 就可以在较低的p n 情况下以相同的信息道容量和任 1 4 2 系统构成及通信网络 意小的差错率来传输信息 甚至在信号被噪声淹没的情况下 只要相应地增加信号带宽 也 能保持可靠通信 因而 可靠性高 抗干扰能力强 3 误码率一二进制数据位传输时出错的概率 它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标 在计算机网络中 一般要求误码率低于1 酽 若误码率达不到这个指标 可通过差错控制方法检错和纠错 误码率公式 p e n e n 2 8 式中n e 为其中出错的位数 n 为传输的数据总数 3 微波站点分布 在二号加压泵站统一设一个微波站点 上传水源地和加压泵站数据 图像等信息 通过二号加压泵站的地下水进入关村水厂和马厂水厂 所以在关村水厂和马厂水厂各设 一个微波站点 西线水库地表水通过台上泵站提升至净水厂 进而进入城市管网 所以 在台上泵站 净水厂各设一个微波站点 由于通讯受地形影响 有些站点不能直接和总 调度中心通讯 所以在老顶山设一个微波中继站 负责对二级泵站 马厂水厂和台上泵 站的中继 公司总调度中心负责统一调度管理 单独为一个通讯基站 具体各微波站点 分布见图2 6 图2 6 硪叛站点分币放配置 4 微波网络配置和分析 以色列b r e e z e c o m 公司的3 m 无线网络产品b r e e z e n e ta p 1 0 属于跳频发出频谱 f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c m u n 方式 能够迅速地将每个数据包中的一部分通过 毗邻的无线电频率通道传送出去 一个接一个地 直到全部信息都被发送出去 而带宽 为l l m 的d s l l 型产品为直接顺次产生频谱 d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m 的方法将 无线电波段等分成三部分并且将数据包通过其中的一部分发送出去 在l l m 带宽中6 m 为通讯带宽 5 m 为有效带宽 也就是无线网络上传输的信号叠加最多不能超过5 m 以 下对方案中几个主要微波链路进行分析 西安科技大学硕士学位论文 d 微波链路分析 视频信号占用带宽分析通信设备主要负责传输图像和p l c 数据 首先我们分析一 下图像信息所占带宽 对于p l c 的数据采用实时传输 图像信息根据需要在总调度中 心显示和存储 可以显示一路图像信号 也可以同时显示多路图像信号 在视频管理专 用软件设置中 可以把一个控制站点的所有图像设置为画面分割同屏显示 由于在现场 选用a x i s2 4 0 0 型视频网络服务器 负责把视频信号并入以太网 a x i s2 4 0 0 支持 t c p i p h t t p f r p 等网络协议 图像分辨率可达7 0 4 x 5 7 6 p a l 图像格式为 m j p e g j p e g 可进行图像字符及时问叠加 支持i e4 0 以上或n a v i g a t o r 4 0 以上浏览 器 在现场或总调度中心可以对信号传输带宽进行设置 一般从1 2 8 k 到2 m 根据电 报电话咨询委员会 c c i t t 专家组在1 9 9 0 年1 2 月制定的数字视频远程监控的压缩标 准h 2 6 1 图像信号可以在6 4 3 8 4 k b p s 带宽下传输 特别是超过