1. 2　控制层配置

控制层设5台主交换机,分别对应一个中心控制室和片烟处理、切丝、烘丝/混丝、加香4个现场控制段的信息通讯。主干网由5台德国Hir-schmann公司MS2016模块化交换机和多模光纤组成,构成100M冗余环网,作为控制层主干通讯

链路。每个现场控制段的主交换机下挂一台罗克韦尔自动化公司的ControlLogix1756-L55M23主控PLC和若干台现场操作员站(计算机), PLC通过1756-ENBT以太网通讯模块和屏蔽双绞线连接到交换机。

1. 3　现场设备层配置

现场设备层采用Hirschmann RS2-16卡轨式工业以太网交换机和双绞线组成100M星形网络(图2),带有以太网接口的Flex I/O站和变频器、软启动器等现场设备可就近接入各交换机,不带以太网接口的终端设备通过DeviceNet与系统通讯或就近接入FlexI/O。各交换机上连至主干环网交换机,形成100M主干环网带多个100M星形网的网络结构。由于双绞线的最大传输距离为100m左右,设计中根据控制区域要求合理设置了现场设备层交换机的位置,使各站点到接入交换机的双绞线长度控制在60m以内,尽量避免传输信号受到干扰和衰减。网络交换机全部采用双电源冗余供电,一路由交换机24VDC电源提供,另一路由网络交换机所在控制段电控柜提供,确保网络供电的可靠性。

1. 4　信息管理层配置

中控室配置2台冗余I/O服务器和1台WEB/RSSQL/OPC服务器,设置3台监控客户计算机分别对叶片处理、切丝、混丝、加香等各工艺段进行集中监控。I/O服务器与监控计算机采用C/S架构,由I/O服务器统一采集底层控制系统的信息提供给监控计算机,中控室各监控客户计算机监控画面可进行互相切换,监控范围可任意互换。设置1台管理计算机用于对PLC进行编程和系统维护。服务器选用HP ProLiantDL380 G4,监控计算机、管理计算机选用DellPrecision670工作站。

通过1台CISCO带路由交换机, 2400kg/h制丝线与原有的1条制丝生产线PLC之间的数据信息通过以太网进行通讯。中控室另配置1台带单模光纤接口的CISCO带路由交换机,实现中控室与厂级局域网的以太网通讯。系统软件配置:操作系统采用W indows 2000Server和W indows 2000 Professiona;l监控软件采用Rockwell公司RSView SE;通讯软件采用Rock-well公司RSLinx;网络管理软件采用Hirschmann公司Hivision网络管理软件;数据库软件采用ORACLE 9I专业版。

1. 5　网络设置

网络流量控制对于保证工业以太网的实时性和可靠性非常重要,如果网络流量过大,会导致网络通讯中断。系统主要采用以下技术控制网络流量:

(1)利用交换机的VLAN(虚拟局域网)功能划分控制区域。将每个主控PLC及其控制的Flex I/O和变频器、软起动器等现场设备分别划为一个独立的VLAN,各主控PLC另外配置一块以太网通讯模块与I/O服务器、监控计算机、管理计算机划为一个VLAN实现数据采集。每个VLAN各设备之间的通信流量限制在本虚拟局域网内,不会占用主干网及其他VLAN的网络资源,从而降低整个网络的负载。

(2)利用IGMP( Internet Group Management Protocol)【5】技术。EtherNet/IP的应用层采用CIP协议, CIP协议采用生产者/消费者(Producer/Consumer)通讯模型,系统中生产者数据可被多个消费者同时接收。生产者/消费者模型不但提高了网络带宽的使用效率,而且还保证了多个消费者同步接收同一数据。EtherNet/IP使用多播技术实现生产者/消费者通讯模型所要求的功能,控制多播数据流量要求交换机必须支持多播控制功能。应用选型时要注意交换机必须具备足够的多播控制能力,否则超过多播控制能力部分的多播数据包会被转发给该网段交换设备的所有端口,占用大量网络资源。因而,在系统所有的管理型交换机上开启IGMP Snooping功能,对网络多播数据包进行控制处理,将多播数据包只转发到需要此多播数据包的端口,这样可进一步降低网络负载。

1. 6　系统安全设置

以太网的开放互连使网络安全成为不可忽视的问题,直接涉及到现场的生产质量及设备人员安全,该系统主要采取了以下安全措施:①将厂级局域网和车间生产网段设置为不同的IP网段,通过服务器的双网卡实现隔离;②将整个制丝线控制系统划分为多个VLAN,不但降低了网络负载,也将现场各区域设备通过VLAN隔离,提高现场设备的安全性;③通过PLC编程和网管软件对网络状况进行实时诊断监控,并将其整合到系统监控画面中,具有报警提示功能。④对用户采取权限管理,屏蔽非法网络访问,根据职责分配操作权限,系统数据库能自动记录系统操作及设备工艺参数修改事件,操作可查询和追溯。

2　系统特点

(1)实现了现场工业控制网络与企业信息网络的无缝连接,形成了一个全开放的上下数据透明的通信网络,实现了信息的高效集成,为信息控制一体化创造了条件。

(2)网络通讯速率达到100M,以适应企业信息系统数据量不断增加和复杂程度提高的需求,其速率是目前的现场总线无法比拟的。由于EtherNet/IP采用标准的以太网,可很容易地将控制系统的主干环网络升级到千兆网络,如视频监控等需传输大量数据的应用也可以集成到以太网中,可以满足不断增长的信息流量需要。

(3)系统易于扩展和维护,网络配置简单灵活。因为以太网技术的广泛应用,可以很方便实现不同应用系统及不同厂家设备的互通互联和集成。

(4)实现了系统远程维护和诊断,无须附加编程就可以通过IE浏览器组态、诊断和监视现场设备,还可通过E-mail查看现场设备产生的报警信息。

(5)主干网采用冗余环网,当线路出现故障时系统可自动快速恢复网络通讯。

3　结语

武汉卷烟厂应用EtherNet/IP工业以太网对2400kg/h制丝线现场设备进行控制,经过半年多的实际生产运行,控制系统稳定可靠,可以满足制丝线现场设备控制的实时性和可靠性,并且易于集成扩展,维护方便,克服了传统现场总线应用中存在的缺点,取得了较好的应用效果。

基于工业以太网(PROFINET)的SBR工艺污水处理自动控制系统

　　近年来在城市污水处理的工艺中，投资少、运行灵活的SBR处理工艺得到广泛的应用。SBR(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process)序批式活性污泥工艺早在1904年就被开发，并取得了较好的效果,只是由于当时的自动化水平和设备制造工艺的限制，所以没有得到推广应用。而近年来随着自动化技术及在线监测技术的飞速发展，为SBR工艺的发展和应用提供了前提条件，因为对污水处理工艺进行自动化监测和实时控制是提高污水处理效率、降低处理能耗的关键，所以SBR工艺也是各种污水处理工艺中对自动化系统要求较高的一种工艺。SBR反应过程主要是在生物反应池内进行的，该工艺主要由进水、曝气、沉淀、排水和闲置等五个阶段组成。SBR工艺的处理效果主要取决于其运行参数，其中主要参数包括各反应段时间以及曝气强度。一般采用以PLC为核心的工艺过程自动监控系统，实时控制鼓风机、水泵、电动阀等设备及各反应段时间，使水质达到国家规定的排放标准。

　　由此可见，SBR污水处理工艺是一个多参量(如液位、流量、压力、生物指标等)、多任务(如污水输送、风量控制、水泵的启停等)、多设备(如格栅机、水泵、鼓风机、阀门等) 且具有随机性 、时变性和耦合性的复杂系统。因此，应由稳定可靠的数据信息交换网络与综合管理系统来进行自动化的管理，使之安全可靠地运行。

1．系统组成及特点

根据全集成自动化（Totally Integrated Automation）的思想，将污水厂 控制系统分为管理级、控制级、现场级。系统简图如下页图：
  （1）管理级 管理级是系统的核心部分，完成对污水处理过程各部分的管理和控制 ，并实现厂级的办公自动化。管理级提供人机接口，是整个控制系统与外部信息交换的界面 。管理级的工业计算机具有相互通讯的功能，实现数据交换或共享。考虑到管理层功能结构的层次性和可分割性，采用客户/服务器（Client／Server）的体系结构。服务器选用大型的网络关系数据库，满足开放、分布式数据库管理方式的要求。服务器具有远程控制操作功能、状态显示功能、数据处理功能、报警功能、报表功能、通讯功能和冗余功能等。厂中心控制室中设备包括：两台安装Siemens公司WinCC监控组态软件的冗余服务器作为上位机 ，安装有WinCC组态软件的完全版以及冗余软件包，两台服务器互为备用，实现冗余，提高系统的可靠性。装有WinCC运行版的PC机作为监控工程师操作站。这种配置的最主要的优点是保证数据的完整性和监控操作的连续性。如果一个WinCC服务器出现故障，该服务器的客户机（工作站）自动从发生故障的服务器切换到备用的服务器上，使所有的客户机始终可以监控生产过程，修复后的服务器回到系统后，自动实现归档数据的匹配,管理级与控制级的数据交换均采用了工业以太网,真正体现了公司范围内从办公区域到现场级的集成通讯。

2）控制级 控制级是实现系统功能的关键，也是管理级与现场级之间的枢纽层。 其主要功能是接受管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，同时将现场状态输送到管理层。控制器是整个系统的核心，所以在控制级中，主要采用三套Siemens公司S7_300(CPU315_2PN/DP)型PLC组成,采用光纤和交换机构建成数据交换网络, CPU315_2PN/DP配有集成的PROFINET接口,通过该接口连接I/O现场设备,STEP7包含有所需的驱动,也可以延伸到低端PROFIBUS上的设备,而无需重新连接编程器.现场设备也能够使用额外集成的PROFIBUS接口进行连接,而且,PROFINET接口可以用于单元级的通讯.PRIFINET CPU 能够使用STEP7在工业以太网上通过编程器/PC进行编程.
   （3）现场级 现场级是实现系统功能的基础。现场级主要由一次仪表（如液位计、DO 传感器等）、控制设备等组成。其功能主要是对系统设备的状态、传感器参数进行监测，并把监测到的数据上传；接受控制级的指令对执行机构进行控制。由于控制设备比较分散，在传统的工厂内，输入／输出设备连接到一个集中的机架，在设备改变和系统扩展时，导致接线工作量大，成本高，柔性度低。通过开放的、标准化的现场总线PROFIBUS系统来连接现场控制部件(一些控制设备可能是第三方厂商提供)，是解决这些问题的最佳方案。分布式配置意味着可编程序控制 、I/O模块和现场设备通过PROFIBUS_DP现场总线的信号电缆连接。将输入/输出模块转换成就地监测器和执行器，可就地转换和处理过程信号。从而保证了控制级与现场级控制设备的独立和兼容 ，同时解决了与第三方设备(撇水器、脱水机等)通讯问题,本系统的第三方设备均使用了SIEMENS公司性价比较高的S7_200小型PLC,通过其附加通讯模块EM277可与PROFIBUS现场总线相连接,从而方便了运行过程中的系统维护和修理。 污水处理过程中，需要实时地在线监测各种水质参数以保证准确的工艺运行参数和及时显示处理结果。
　　在本系统中传感器数量大、种类多，包括pH、SS（固体悬浮 物)、DO（溶解氧）、COD、液位传感器以及电磁流量计、压力计等。 传感器全部采用德国Endress+Hauser公司的产品，这些传感器都带有PROFIBUS_DP接口，利用这些智能接口，这些仪表能与自动化过程控制系统集成，这样获得的所有过程参数可以集中显示， 同时作为工艺的控制参数。

3 控制程序特点 根据以上情况，对应设计了多种控制模式，可根据实际情况由上位机选择运行。
　　(1)生物浓度法控制程序 生物浓度法采用反馈控制，利用在线测得的进水水质参数作为输入，按照预先确定好的控制模型进行运算，然后用计算的结果作为输出控制现场的设备，动态控制反应时间，以达到控制反应的目的。
　　(2)时间控制程序
　　①本控制系统严格按照时序、按顺序工作。
　　②允许在工作过程中任意进行遥控、自控切换且不影响工作时序。
　　(3)分组工作程序 由于该污水处理厂来水水量不均衡,造成生物处理池的负荷无法平衡,同时吨能量消耗大,运行极不经济。故我们采用了分组运行的办法,每两个生物处理池为一组，既可以两组同时运行，又可以一组投运自动运行，另一组备用手动控制的方式。一方面解决了生物处理池的负荷问题，另一方面也解决了处理池相关设备的检修问题。
　4 上位机组态软件
　　对SCADA（数据采集与监控系统）系统要求：通过工业以太网PROFINET，具有与多台下位机系统通讯的能力，实时监控多台下位机的工作状态 ，显示生产过程中的工作曲线；具有远程控制能力；向下位机采集数据，对历史数据进行存储、查询、显示、打印等。因此，在一个自动监控系统中，运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心、远程监视中心和数据转发中心，与各种控制、检测设备（如PLC、智能仪表等）共同构成能快速响应的控制中心。 本系统选用了Siemens公司WinCC(Windows Control Center)6.0组态软件。WinCC具有控制自动化过程的强大功能，是基于个人计算机，同时具有极高性价比的SCADA级操作监视系统 。在两台服务器上安装服务器版和冗余软件包，工作站上安装运行版。 监控系统的功能及特点：
　　（1）界面显示 具有全中文显示，界面友好，操作方便。操作画面采用主菜单的形式，在每幅画面下通过按钮进行切换。在中心控制室能对全系统被控设备进行实时控制，

如启停设备，在线设置PLC中程序的某些工艺参数等。

5 结束语
　　在污水处理控制系统中采用工业以太网(PROFINET)改变了传统的现场总线及全模拟量传输的数据交换方式，在现场总线级实现了Ethernet数字传输，达到了提高信息传送距离、传送数据量和传送精度的目的，增强了现场控制灵活性，降低了数据交换网络初装费和设计施工费用，达到了减少电缆敷设，易于维护和扩展的目的。该控制系统2006年底在中科国益涿州污水处理厂已投入正常运行，实现了污水处理SBR工艺的自动控制，网络数据交换及控制功能十分稳定,污水处理的效率和效果十分理想，同时降低了能耗，得到了用户的认可,从而取得了良好的经济效益和社会效益。

基于EPA的煤矿井下水泵控制系统

引言

对于百米以上深度的立井煤矿,在井下都设有中央泵房,用来集中井下开采平面的地下水,并通过水泵将其提升到地面。

井下水泵是防止井下冒水事故发生的关键设备,实现井下水泵抽水的自动控制是保障井下排水安全的有效措施。传统的水泵控制是由人工在现场观测测量仪表,然后按照操作规程,手动开停控制。

近年来,随着控制技术的发展,许多煤矿的井下水泵控制系统纷纷采用PLC技术,构成集散式的井下水泵控制系统,实现了水泵开停的自动控制。但由于从事水泵控制系统设计的厂家各自为政,构成的系统相对独立,信息的上传需要独自的线

路,不能实现与井下其它生产环节的自动控制系统的无缝连接、互为冗余,从而不能提高系统可靠性,也不能实现信息通道的共享以减少井筒布线。所以,具有通用标准特征的工业以太网技术越来越受到人们的重视和欢迎。本文利用国内研发且被国际标准化组织认可并发布的工业以太网标准EPA及其相关的EPA设备,设计了基于EPA的煤矿井下水泵控制系统。

1　井下中央泵房的构成及对水泵控制系统的要求

井下中央泵房一般由水池、水井、水泵、水泵电机、真空泵、控制箱等设施组成。每台水泵拥有1个驱动电机、1个出水管道控制阀和1个控制箱,通常多个水泵共用1个真空泵,用来启动水泵时抽真空用,除此之外每台水泵各自具有射流通道,可以独自采用射流方式启动水泵。井下水泵控制示意图如图1所示。

在井下,1台水泵对应1口水井,水井之间通过手控门板隔离和相通。水井和水池连接,通常1个中央泵房设有2~3个水池,要求每个水池都要有高、低水位测量及报警装置,并能根据水位高度的变化,自动开停水泵,实现高排低停:低水位上下要留有足够的余量,防止水位过低损坏吸水泵和电机;防止水位过高,投入泵排水能力不够,导致水池裕水。

一般要求上下保留50cm余量。水泵的启动有2种方式:一是真空启动,二是射流启动。无论是真空启动还是射流启动都要求水泵叶轮腔室的压力达到0以下时,就立即送电启动水泵驱动电机,从检测到0个大气压到电机启动的响应时间应小于1 s,且越短越好。

除了上述对水泵控制的基本功能要求外,还要求水泵自动控制系统能够实现多台水泵自动轮换工作,无故障时,根据水泵启停次数及运行时间等参数自动记录和累计,自动按一定的时间周期切换。时间间隔可以根据水仓水位的高低、井下用电负荷的高、低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段因素,建立数学模型,进行科学计算,自动给出,也可根据实际情况随时通过上位机(操作站或工程师站)人工设定。最终通过合理调度水泵,实现节约能源、降低成本的目的。当某台泵出现故障时,系统应能自动发出声光报警,在上位机记录事故,同时自动将故障泵关停退出运行,并自动开启备用泵投入工作,达到有故障及时发现、及时处理,维持矿井中央泵房排水作业的连续,不影响矿井安全

生产。

除了要求系统能够实现自动控制以外,还要求系统能够实现半自动控制和就地手动控制。所谓半自动控制,就是远程手动控制,在井上通过上位机(操作站或工程师站)输入操作命令。由于上位机(操作站或工程师站)都位于地面,为了实现井下中央泵房无人值守,必须将信息通过井筒传至地面。要求在地面监控室设置一套工业控制级的计算机用作操作站或工程师站,并有相配套的人机交互界面软件,可在显示器上动态显示井下水池液位的高度、各水泵的开/停状态、水泵及其驱动电机的运行参数(包括各自前后轴温、排水的压力和流量、电机的电压、电流和功率),能对上述各参数进行超限报警和作历史记录。

2　EPA技术的特点及EPA设备

EPA是在IEEE802.32002标准的MAC control子层(位于LLC和MAC之间)采用分时技术,对同一冲突域的节点按照每个节点的实际实时要求和优先级,在预先设定的周期内,以不同的时间偏移量按序传输,避免了节点间的传输冲突,实现了数据的确定性传输,满足了工业自动化控制系统的实时性需要。

EPA将整个工业以太网划分为一个个微网段,微网段之间通过EPA网桥实现互联,构成微网段的节点设备都配有EPA协议,完全兼容IEEE802.3以太网协议的设备,这些设备包括EPA控制器节点、EPA传感器(或变送器)节点、EPA执行器节点、EPA网桥、EPA交换机、各种EPA代理(实现EPA信息和非EPA信息转换的设备)和装有商用以太网卡并配有EPA协议软件的通用PC机和服务器计算机。

每个微网段各自构成一个传统冲突域,采用EPA协议后就变成为一个个独立的实时区,拥有独立的传输周期,在一个微网段内可以实现毫秒级甚至几十纳秒级的实时响应速度。微网段可以围绕1个检测或控制对象或相近的几个检测或控制对象构成,一般1个微网段至少包含1个以上的传感器节点和1个网桥节点。基于EPA的工业控制网络如图2所示。

3　基于EPA的水泵控制系统设计

根据煤矿井下中央泵房排水系统的测量及控制要求,对每台泵需要测量的模拟量输入参数有水泵的出水压力、流量、启动时的水泵腔室的真空压力、电机工作电流、电压,电机和水泵的前后轴的温度,开关量输入参数有水泵出水控制阀门的开停状态和开度位置。输出模拟量参数有水泵出水阀门控制信号,输出的开关量参数有水泵的射流启停信号、水泵电机的开停信号等。据此,可以围绕每台泵自然构建一个微网段,对水池液位的测量和对总出水管道压力和流量的测量、对共用真空泵的压力测量和对真空泵的启停控制独立构成一个微网段,上位机和服务器构成一个微网段。这样构成的基于EPA的煤矿井下水泵控制系统结构如图3所示。

系统工作原理:由独立网段测量的水池水位参数通过两级EPA网桥送给各被控水泵的微网段内的EPA控制器,由EPA控制器按照事先配置好的控制算法和启动控制顺序,决定是否开启本微网段内的水泵。若需要开启,则严格按照水泵操作规程,打开射流管电磁阀,监测水泵吸水管压力,达到真空后,立刻送电开启水泵驱动电机,随后打开出水阀门,同时关闭射流阀。此后水泵便会将水池内的水源源不断吸入水泵,加压后送入总管道提升到地面排出。

在水泵工作过程中,实时监测水泵出水口压力和流量、水泵和电机的前后轴工作温度、电机的工作电流和电压、功率以及阀门开度等参数,并将这些信息通过网桥送到地面的操作站和服务器,供在地面显示屏上动态显示中央泵房的设备运行状况,并通过声光手段,及时进行超限报警和发出关停设备命令,防止事故发生。关闭水泵时,要严格按照操作规程,先关出水阀门,然后再关停电机。

操作人员的人工命令可以通过操作站的鼠标或键盘操作,通过EPA网络,跨过微网段的网桥送到EPA控制器,由EPA控制器发出操作信号送给EPA输出模块,当然操作站也可直接给出操作信号(而不是操作命令),通过微网段的网桥后直接送到EPA输出模块,以驱动执行机构动作。

在图3所示的系统中,为了降低成本,采用了传统的传感器和变送器,没有采用基于EPA的新型传感器和变送器。如采用带有EPA协议的智能传感器和智能变送器以及智能执行机构,则可以省去图中的EPA标准输入、EPA数字输入、EPA数字输出和EPA电流输出等模块,系统结构将更加简单,但会导致成本大大增加。采用EPA技术构成的水泵控制系统采用一泵

一个微段的构网方式,实现简单,扩展、维护也十分方便,用户在根据排水情况需要增加水泵时,只要再增加一个微网段并将其接入原系统即可。由于各网段内的设备完全类同,所以它们可以互为备份,互换使用,显著提高了系统的可靠性和可维护性,极大地降低了系统的运行成本。

由于各模块之间的互连是基于标准的工业以太网协议EPA,连接介质可以采用同轴电缆,也可以采用双绞线(此时需要引入工业交换机,构成星型拓扑)。构成煤矿井下水泵控制系统的传感器、变送器、控制器、执行器,以及网桥、交换机都是EPA网络上的一个个节点,所有信息传输直接发生在这些节点模块之间,并在各自微网段内的独立宏周期内实现实时传输。但对于跨网段传输,由于要经历2个独立的宏周期,才可完成1对功能模块之间的信息传输,所以会引起稍长一些的延迟,但最大延迟不会超过系统内最大宏周期的2倍。实时响应速度依然控制在毫秒级,完全满足水泵控制系统的要求。

4　结语

本文介绍的基于EPA的煤矿井下水泵控制系统已在枣庄矿务局田陈煤矿中央泵房的自动化改造中成功应用。实际应用表明,EPA以微网段作为整个网络的基本组成单位恰好可以用来构成煤矿井下水泵控制系统的单泵控制单元,这样组成的基于EPA的煤矿井下水泵控制系统具有结构简单、组网容易、实时性好、可靠性高、易于为用户所掌握的特点。此外,该系统还具有扩充随意、维护方便、可以与企业网实现无缝连接和信息资源共享的功能,特别是可以大大减少运行成本。所以,基于EPA的煤矿井下水泵控制系统具有目前其它技术(如PLC)构成的系统所不能比拟的优势。

好累啊，感谢大家的支持啊！

偶会继续为大家服务滴。

楼猪你也发的太快了，一不小心 就翻页鸟

建议给此贴授精

确实是好贴，顶起来，大家学习！

楼主请看我滴笔名。

以太网要用线来做呀。如果有的地方布线困难，用无线来的容易多了。无线能传开关量信号也能传模拟量信号，质量也有保障。大为智通无线是一个好的选择。