煤矿信息化技术ppt课件.ppt

丁恩杰教授 煤矿信息化技术 中国矿业大学 1 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 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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 11 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 12 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 IP Profi Net HSE Ethernet IP 13 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 14 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 15 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 16 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 17 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 18 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 19 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 20 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 21 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 22 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 23 二 数字化变电所 数字化变电站 24 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 25 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 26 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 27 数字化变电站的逻辑接口 数字化变电站 28 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 29 数字化变电站的通信网络 数字化变电站 30 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 31 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代电缆 电磁兼容性能优越信息传输通道都可自检 可靠性高管理自动化在线检测 状态检修故障自动分析顺序控制易于扩展提升变电站可靠性 自动化水平 降低生命周期成本 数字化变电站 32 数字化变电站实施方案 开关设备配置智能终端升级为智能开关设备变电站层和间隔层通信网络与常规综自站相同 通信标准向IEC61850发展间隔层设备和过程层设备间用光纤以太网交换信息 数字化变电站 33 二次设备配套 线路保护 变压器保护和测控装置可选用增加IEC61850 9 1接口PS600和PS1200系列成熟产品我公司新型母差保护和变压器保护具备IEC61850 9 1接口电能计费选用我公司研发的DTSD DSSD1056型电能表 也可集成于合并器或保护测控装置监控 远动通信 VQC 五防等可用现综自站设备可选用其他厂家具有IEC61850 9 1过程层接口的二次设备 如南瑞和四方能提供母差 线路等保护设备 数字化变电站 34 通信协议 与远方主站间DL T634 5101 2002 IEC60870 5 101 DL T634 5104 2002 IEC60870 5 104 CDT变电站层和间隔层DL T667 1999 IEC61870 5 103 IEC61850过程层IEC61850 9 1 100M光纤以太网 IEC61850GOOSE服务 数字化变电站 35 采样同步 全站使用统一的同步信号源 同步所有的合并器和直接采集模拟信号的二次设备合并器之间 合并器与数据集中器之间采用IEC60044 8规定的FT3通信协议 可提供采样同步信息 在同步信号源故障时同步采样 数字化变电站 36 开关设备智能化 数字化变电站 37 四 WI FI无线通信技术 38 WI FI无线通信技术 WI FI概念 WiFi的全称是WirelessFidelity 又叫802 11b标准 是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准 该技术使用的使2 4GHz附近的频段 该频段目前尚属没用许可的无线频段 其主要特性为 速度快 可靠性高 在开放性区域 通讯距离可达305米 在封闭性区域 通讯距离为76米到122米 方便与现有的有线以太网络整合 组网的成本更低 39 WI FI无线通信技术 WI FI主要技术优势 1 无线电波的覆盖范围广 基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小 半径大约只有50英尺左右 约合15米 而WiFi的半径则可达300英尺左右 约合100米 最近由Vivato公司推出的一款新型交换机 该款产品能够把目前WiFi无线网络300英尺 接近100米的通信距离扩大到4英里 约6 5公里 2 虽然由WiFi技术传输的无线通信质量不是很好 数据安全性能比蓝牙差一些 传输质量也有待改进 但传输速度非常快 可以达到11Mbps 符合个人和社会信息化的需求 40 WI FI无线通信技术 WI FI主要技术优势 3 厂商进入该领域的门槛比较低 厂商只要在机场 车站 咖啡店 图书馆等人员较密集的地方设置 热点 并通过高速线路将因特网接入上述场所 这样由于 热点 所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100米的地方 用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内 即可高速接入因特网 也就是说厂商不用耗费资金来进行网络布线接入 从而节省了大量的成本 41 一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP 如此便能以无线的模式 配合既有的有线架构来分享网络资源 架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络 如果只是几台电脑的对等网 也可不要AP 只需要每台电脑配备无线网卡 AP为AccessPoint简称 一般翻译为 无线访问节点 或 桥接器 它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁 有了AP 就像一般有线网络的Hub一般 无线工作站可以快速且轻易地与网络相连 特别是对于宽带的使用 WiFi更显优势 有线宽带网络 ADSL 小区LAN等 到户后 连接到一个AP 然后在电脑中安装一块无线网卡即可 普通的家庭有一个AP已经足够 甚至用户的邻里得到授权后 则无需增加端口 也能以共享的方式上网 WI FI的组网方法 WI FI无线通信技术 42 目前Wi Fi联盟所公布的认证种类有 WPA WPA2 WPA WPA2是基于IEEE802 11a 802 11b 802 11g的单模 双模或双频的产品所建立的测试程序 内容包含通讯协定的验证 无线网络安全性机制的验证 以及网络传输表现与相容性测试 WMM Wi FiMultiMedia 当影音多媒体透过无线网络的传递时 要如何验证其带宽保证的机制是否正常运作在不同的无线网络装置及不同的安全性设定上是WMM测试的目的 WMMPowerSave 在影音多媒体透过无线网络的传递时 如何透过管理无线网络装置的待命时间来延长电池寿命 并且不影响其功能性 可以透过WMMPowerSave的测试来验证 WI FI的认证 WI FI无线通信技术 43 目前Wi Fi联盟所公布的认证种类有 WPS Wi FiProtectedSetup 这是一个2007年年初才发布的认证 目的是让消费者可以透过更简单的方式来设定无线网络装置 并且保证有一定的安全性 目前WPS允许透过PinInputConfig PIN PushButtonConfig PBC USBFlashDriveConfig UFD 以及NearFieldCommunicationContactlessTokenConfig NFC 的方式来设定无线网络装置 ASD ApplicationSpecificDevice 这是针对除了无线网络存取点 AccessPoint 及站台 Station 之外其他有特殊应用的无线网络装置 例如DVD播放器 投影机 打印机等等 CWG ConvergedWirelessGroup 主要是针对Wi Fimobileconvergeddevices的RF部分测量的测试程序 WI FI的认证 WI FI无线通信技术 44 小灵通退市今年2月初 工信部向中国电信 联通等三大运营商发文 明确要求所有1900 1920MHz频段无线接入系统应在2011年底前完成清频退网工作 以确保不对1880 1900MHz频段TD SCDMA系统产生有害干扰 同时 要求现在的运营企业应对在用的1900 1920MHz频段无线接入系统停止扩容和发展新用户 不得扩大覆盖范围 这一项措施将迫使正处在这一频段的小灵通退出无线通讯领域 为TD SCDMA让路 小灵通是特殊时期的产物 是当年中国电信和中国网通没有移动牌照的无奈之举 由于小灵通低辐射 低资费 号码简短易记 至今仍然受到一些特殊群体 如孕妇 老年人的喜爱 小灵通要退市 很多市民并不甘心就这样与其说再见 他们希望能继续使用小灵通 而比普通百姓更不舍说再见的当数煤矿行业了 由于技术 成本以及最重要的安全等众多因素的限制 GSM GPRS及对讲业务在煤矿行业无法得到有效应用 所以小灵通曾一度统治着煤矿行业的通讯领域 很多人会担心小灵通退市之后 煤矿行业的通讯危机就会随之而来 WI FI应用 1 WI FI无线通信技术 45 小灵通通退市会给煤矿企业造成多大的影响呢 由于WiFi的传输速度远高于小灵通 现在最普及的IEEE801 11g可达到54Mbps 其下一代产品甚至可以达到300Mbps 并且WiFi的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的开放频段 因此WLAN无线设备提供了一个世界范围内可以使用的 费用极其低廉且数据带宽极高的无线空中接口 我们可以在WiFi覆盖区域内快速浏览网页 随时随地接听拨打电话 而其它一些基于WLAN的宽带数据应用 如无线监控 移动办公 流媒体等功能更是值得期待 WI FI应用 1 WI FI无线通信技术 46 另外 IEEE802 11规定的发射功率不可超过100毫瓦 而WiFi电话的实际发射功率不超过25毫瓦 这是一个什么样的概念呢 手机的发射功率约200毫瓦至1瓦间 GSM手机的发射功率甚至更大 手持式对讲机高达5瓦 可见WiFi是绝对安全的 这一点无论是对特殊的百姓群体还是对安全生产要求严格的煤矿来讲 都是一个有力的竞争点 随着WiFi技术的推广和普及 WiFi手机应运而生 其低廉的运营成本和通话费用得到越来越多行业用户的青睐 一些企业针对行业用户的进一步开发 更丰富了WiFi通讯系统的功能 使其逐渐成熟强大 部分先进的WiFi技术企业已经做到了如下WiFi的应用 WI FI应用 1 WI FI无线通信技术 47 WI FI应用 1 应急通讯系统集群对讲业务调度管理平台WiFi定位系统可以说这些应用是为煤矿等行业用户量身定做的产品 除了以低廉的成本和使用费用满足矿井下基本的通讯需求以外 集群对讲业务可以方便快捷地实现语音信息的实时有效传播 调度管理平台可以对工作人员进行统一的调度管理 合理分配和使用资源 WiFi定位系统则对用户进行定位 一旦出现意外或危险情况 可以及时准确地采取营救措施 WI FI无线通信技术 48 WI FI应用 1 WI FI无线通信技术 49 WI FI与小灵通相比具有的优势 一 小灵通系统构成复杂 成本高 并且每个节点最多只支持3部手机同时通话 WiFi通讯系统结构简单造价低 每个AP可支持8部以上的手机同时通话 二 小灵通系统体积庞大 存在维护复杂扩容复杂的问题 也很难再有更多的扩展性 WiFi通讯设备便捷灵活 易于维修 扩展性强 三 小灵通功能单一 而WiFi通讯系统具有调度 定位 报警等综合功能 是一举多得的选择 WI FI应用 1 WI FI无线通信技术 50 WI FI在工业中的使用 WI FI应用 2 WI FI无线通信技术 51 WI FI应用 2 WI FI在工业中的使用 WI FI无线通信技术 52 五 基于WI FI的新一代井下救灾监控指挥系统 获得江苏生自然基金的扶持 国家自然基金正在审批中 基于WI FI的新一代井下救灾监控指挥系统 53 通常事故发生之后 井下的供电系统遭到破坏 现有的视频监控系统 调度电话系统 小灵通等通信系统处于瘫痪状态 致使地面救援中心无法获知井下状况 更不用说井下与井上信息的互通 对人员的救治造成很大困难 我们拟采用具有自组织性 放置灵活 移动性强的无线多媒体传感器网络 WMSN 来实现矿难后监控图像的传输工作 研究的意义 基于WI FI的新一代井下救灾监控指挥系统 54 构建应急通信系统时 救援人员携带一定数量的节点进入救灾区 在井口附件布置汇聚节点 在前进的过程中布置无线通信节点 多媒体数据采集节点安装在救援人员的矿灯附近 多媒体节点备有摄像头 利用该节点对井下目标区域采集图像 对采集到的图像分辨率要求不高 并把这些信息通过WMSN传给地面指挥中心 指挥中心发布的调度消息再通过无线网络传递给救援人员 从而有效地指挥救灾 研究的意义 基于WI FI的新一代井下救灾监控指挥系统 55 目前 国内外专家对无线多媒体传感器网络 WMSN 传输视频等多媒体信号进行了大量研究 国家自然基金委近两年资助了一些WMSN技术的研究项目 国内外研究现状 2007年资助的无线传感器中基于Schur算法的图像传输联合检测 无线分布式环境下视频信息的协同描述与智能传输 2008资助的无线传感器网络组播广播安全关键技术研究 无线多媒体传感器网络设计理论和关键技术等 基于WI FI的新一代井下救灾监控指挥系统 56 缺陷 但上述研究对井下长距离带状空间构建WMSN系