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工业以太网的常用网络拓朴结构特点揭示
　　一、单星形网络结构
　　单星形网络结构，是最传统的拓朴结构，在普通办公以太网中应用最为广泛，其主要结构如图一所示。
　　所谓的单星形网络结构，是最基本的以太网拓朴结构之一。其特点是将所有的下层节点(二级交换机)均单独连接至中心节点 (核心交换机)。
　　(一) 结构优势
　　1.结构简单，传输效率高
　　因为各下层节点均与上层节点直接连接，所以单星形网络其结构一目了然，是一种分层的网络结构，具有较高的传输效率。
&&& &2.设备数量少，投资小
　　因为单星形的网络结构未作任何链路和设备的冗余配置，所以采用的设备数量较少，可以节约投资。
　　(二)结构缺陷
　　1.无冗余功能，可靠性很低
　　单星形网络作为一种最简单的以太网络，未提供任何链路和设备的冗余功能。所以，采用单星形结构的网络系统，所有的设备和链路均存在单点故障(不允许出现任何网络故障)，任何一处设备或链路发生故障，均可造成网络系统的故障。单星形网络结构的这一特性，可称之为&完全单点故障&，这也是单星形网络系统最根本的弱点。
　　2.中心节点的核心交换机(通常也叫做根网桥)是系统瓶颈
　　星形网络结构的特点就是同一级别的交换机并不直接连接，而是通过上一级的交换机进行数据交换和通信，级别越高的交换机其通信负载越大，对设备可靠性和交换 能力的要求越高。同时，作为星形网络根网桥的核心交换机，不但具有最大的数据流量和负载，而在单星形网络中，核心交换机一旦发生故障，将造成整个网络系统 的瘫痪，其故障风险非常高。因此，星形网络结构的特点就是节点的级别越高，配置的设备档次就越高，而一旦出现故障，对整个网络系统的影响就越大，核心交换 机成为整个网络系统的瓶颈，这也是任何星形结构的网络系统的固有特点。
　　(三)适用性
　　因为单星形网络结构的可靠性较低，传输效率较高且投资较小，所以通常适用于数据传输突发性强，数据量大，但对传输实时性和可靠性要求较低的普通民用办公环境。在工业环境中，这种简单而没有任何冗余功能的网络结构，较少采用。
　　二、双星形网络结构
　　双星形网络结构是在单星形网络结构的基础上发展而来的，其本质就是在同一个网络系统中，设置完全独立的两套单星形结构(所有节点均冗余设置两台交换机)， 所有终端设备均同时在两台交换机上，从而解决了单星形网络结构没有冗余功能的根本缺陷，避免了网络系统的单点故障。双星形的结构如图二所示。
　　(一)结构优势
　　1.结构简单，传输效率高
　　因为在双星形网络中，各下层链路仍与上层交换机直接连接，所以与单星形网络结构类似的，双星形网络系统仍是一种分层的网络结构，具有较高的传输效率。
　　2.具有完整的冗余功能，网络可靠性高
　　双星形网络其实是由完全独立的两套单星形网络所组成;在整个系统中，所有的节点(包括中心节点和所有下层节点)均设置有两套的，各下层节点与中 心节点之间也采用了两套互为冗余的链路进行连接，所以完全不存在单点故障。在双星形的网络系统中，最少可容许同时出现一处链路故障和一处网络设备故障，而 不会对网络系统的正常运行造成影响，其系统的可靠性高。另外，两套系统完全相互隔离，为系统的安全性和可靠性也提供了更多的保证。
　　(二) 结构缺陷
　　1.核心交换机(根网桥)是系统瓶颈
　　因为双星形网络实质上仍然是一种星形网络结构，仍然具有星形网络系统的固有特点，所以还无法避免核心交换机成为风险最高、数据流量最大的系统瓶颈。
　　2.设备和链路数量多，投资高
　　由于采用了完全相同的单星形网络来构成系统，所以与单星形网络结构相比，必然带来了设备和链路的数量加倍，以及投资增加的问题。
　　3.结构相对复杂，网络自愈时间长(10秒级)
　　由于双星形网络的采用了两套设备和链路，其结构相对比较复杂。而这两套单星形的系统完全独立，并不能直接识别另一套系统的状态，所以网络系统出现故障时， 更多的依赖于服务器或上位机的软件系统进行判断和识别，网络设备需要重新寻址，因此，双星形网络系统的故障自愈时间较长，一般在10-30秒之间。
　　(三) 适用性
　　因为双星形网络结构的可靠性高和传输效率较高，但投资较大，所以适合对数据传输实时性、网络系统可靠性和数据传输效率要求比较高，并且资金比较充裕的用 户。这种结构，普遍的应用于金融、电信等民用行业的关键业务系统中，近几年在关注网络系统可靠性的工业行业中应用也比较广泛。
　　三、单环单节点网络结构
　　环形结构是工业行业中应用最广泛的一种网络结构，其特点是将中心节点和各下层节点串接成环形，因而在节约投资的基础上，使网络系统具有了最基本的链路冗余 功能。所谓单环单节点网络结构，是最基本的环形结构，只在各节点均采用单套网络设备，各设备之间采用单一链路进行连接。其网络结构如图三所示。
　　由上述结构图可以看出，所谓的环形结构，已经具有了基本的链路冗余功能，当网络系统中的某一条链路发生故障而断开时，单环结构会自动变为一种单星形(或总 线形)结构，不会对整个系统的适用造成影响。
　　(一)结构优势
　　1.结构简单，设备数量少，投资最低
　　环形结构本身并不是一种分层的网络系统，其结构非常简单。因为环形网络中，各下层节点和中心节点采用串接的方式，链路长度较短(与星形结构相比)，中心节 点所采用的交换机所需要的端口数量、交换能力的要求，也远低于星形结构。同时，单节点的环形网络在各节点均未配置冗余的设备，所以其设备数量较少。由于以 上种种原因，其系统投资也低于单星形网络。
　　2.具有链路的冗余功能，网络可靠性有所提高
　　单环单节点的网络结构，通过最简单的方法，使网络系统具有了链路冗余功能，最多允许出现一处链路故障，因此这种结构可以称为&链路自愈型&的网络结构。在 保证设备数量不增加的基础上，与单星形网络相比，其可靠性有所提高，最多可允许出现一处链路故障。
　　3.不存在根网桥瓶颈
　　由于环形结构自身的特点，在环形的网络系统中不存在根网桥，所以有效的避免了根网桥给整个系统所带来的额外的瓶颈和更高的故障风险。
　　4.网络自愈时间短(100毫秒级)
　　单环形结构的网络设备均为串行直接通信，很容易识别其它设备的运行状态，并可采用逻辑断点的方式进行故障切换而无需重新寻址，因此具有非常短的故障切换时间。单环形的网络自愈时间最高不会超过500毫秒。
　　(二)结构缺陷
　　1.数据传输效率较低
　　从本质上讲，环形结构仍属于一种串行结构，即使是物理位置不远的两个节点，也可能需要通过多个节点、多台交换机的数据转发才可以实现相互通信，因此，从数 据传输效率的角度来看，其效率略低于星形结构。
　　2.不具备设备冗余功能，可靠性不高
　　单环单节点的网络结构，未在各节点配置冗余的，它只具有链路冗余功能。所有的网络设备在这种结构中都存在单点故障，任何一个网络设备的故障都至少会造成部分节点的瘫痪。因此，这种网络结构是一种存在部分单点故障的网络结构。
　　(三)适用性
　　它因为工业网络中的数据传输量较小但数据周期性、持续性、实时性较强，所以，环形结构是工业行业中应用最为广泛的一种网络结构。同时，由于单环单节点结构 已经具备了链路冗余功能，所以这种结构更适用于对可靠性有基本要求但资金非常有限的小规模用户。
　　四、单环双节点网络结构
　　单环双节点网络结构，是在单环单节点网络结构的基础上扩展而来的。顾名思义，所谓单环双节点就是在单一的环形网络中，在每个节点均设置两套互为冗余的网络 设备，所有终端设备均同时连接在两台交换机上，使单环形网络也具备了设备冗余的功能。其网络结构如图四所示。
　　(一)结构优势
　　1.结构简单、不存在根网桥瓶颈、网络自愈时间短(100毫秒级)
　　单环双节点仍是一种单环形结构，因此仍具有结构简单，中心节点所采用的交换机所需要的端口数量、交换能力的要求较低、链路较短、无根网桥瓶颈等特点。网络自愈时间最高不会超过500毫秒。
　　2.具有完整的冗余功能，网络可靠性比较高
　　单环双节点的网络结构，通过在各节点增加冗余的，实现了链路和网络设备的完全冗余，不存在单点故障，允许出现一处链路故障或网络设备故障。
　　3.与单环单节点网络相比，链路长度没有增加
　　在提高可靠性的基础上，与单环单节点网络相比，单环双节点网络结构的链路长度基本没有增加。
　　(二)结构缺陷
　　1.数据传输效率较低
　　基于环形结构自身的特点，单环双节点结构的数据传输效率仍不如星形结构。
　　2.虽然没有单点故障，但可靠性级别仍不高
　　由于是串行结构的原因，无论是链路故障还是网络设备故障，均会造成环形链路&
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煤矿综合自动化系统-排水系统07
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系统功能? 自动控制：根据工况设定，以及水位、时间、煤矿用电负荷等参数自动开启、停止水泵的运转，并能实现泵阀的循环轮换启动和连锁启动功能。 ? 手动控制（远程）：根据实际需要可从自动控制切换到手 动控制方式，可以从操作员站进行远程开停水泵。 ? 手动控制（就地）：各设备工作方式切换到就地位置时，可以人工就地控制设备的启停，可用于设备的检修。? 保护功能：超温、电机保护、阀门运行保护。系统特点? 合理调度轮换工作、远程监控、及时报警，最终达到 减人提效、无人值守的目的。? 工作方式：自动、手动（远控、就地）? 结合水仓水位和全矿电力负荷信息，在安全排水的前 题下，实现以“避峰填谷”原则确定开、停水泵时间。? 双线制水位检测。? 程序化控制：远程编程、现场编程。 ? 操作台人机界面显示。 ? 短信服务。系统配置? 井下排水控制系统? ? ? ? ? ? 矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜 多回路组合开关柜 集中操作台 液控闸阀 电动球阀 传感器（液位、温度、压力、流量）? 上位机监控? 服务器 ? 网络交换机 ? 机柜及其它通讯附件? 视频监控? ? ? ? 防爆摄像机 画面分割器 视频卡 隔爆光端机及其它通讯附件防爆PLC器 流 量 计超 声 波 液 位 计投 入 式 液 位 计服 务 器 温度传感器 闸 阀 电 动 球 阀压力传感器防爆摄像仪系统设备-防爆PLC控制器特点? 快开门结构? 鼠标、键盘、遥控操作? 模块化机芯? 折叠式安装技术? 通讯网络：工业以太网 ? 西门子PLCS7300 ? 具有RS485总线系统设备-电液闸阀特点? 手动、自动两种操作方式? 标准液压接口? 模块化结构? 不锈钢阀芯? 具有减震功能
系统各部分功能? 系统数据自动采集 ? 水位的有效监测? 水泵的开停控制和运行? 系统无人值守自动控制? 动态显示及故障记录报警? 通讯接口以及视频监控? 各种保护系统数据自动采集自动控制功能-1? 水位的有效监测： ? 采用超声波水位仪及投入式水位传感器两套设备同 时工作互为参考。? 编制逻辑选择程序，防止水位传感器故障造成的严重后果，并实时报警。 ? 煤泥较多时，可以加装煤泥传感器，防止煤泥淤积 对水位的影响。自动控制功能-2? 水泵的自动轮换问题：? 控制程序将水泵启停次数、运行时间和停车时间等参 数自动记录并累计； ? 根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵，使各水 泵的使用率分布均匀。? 同时将故障泵自动退出轮换工作，其余各泵继续按一定顺序自动轮换，以达到有故障早发现、早处理，以 免影响矿井安全生产的目的。自动控制功能-3? 水泵的开停控制： ? 监视水仓水位的变化，自动开停水泵。? 当处于电网高负荷时间段，水位处于高水位时，可以暂缓开泵。 ? 当处于电网低负荷时间段，水位处于高水位时，可以 开启一台水泵排水。 。 ? 当水泵达到上限时，陆续启动多台水泵排水。 ? 下限时陆续停泵。 ? 达到对电网的“移峰填谷”的目的。自动控制功能-4? 水泵的运行：? 水泵运行前需要进行水位检测、供电参数检测、水泵循环使用记录检测、管网压力检测、负压检测等 工作，全部符合要求时才会对水泵进行运行控制。 ? 水泵注水方式按有底阀和无底阀而稍有不同。 ? 使用射流器和真空泵双套设备互为备用，并具有切换功能。保护功能? 超温保护：水泵、电机轴承及定子温度超过警戒值时， 提供超限报警。? 电机保护：利用电机电流、电压、水仓缺水等参数参与保护。 ? 阀门保护：检测电动阀门的故障信号，并参与水泵的 连锁控制。功能特点-1??选用先进的 PLC 控制器，并配以以太网通讯模块，极大的提高了系统的实时性及数据处理速度。 实现对主排水泵的远程启停控制和运行状态的远程监测， 可以在调度中心对主排水泵运行参数进行修改，有效监测 各种故障信息。?系统能够通过检测水仓水位和其它工况设置，自动控制水泵轮换工作与适时启动备用泵，使各水泵及其管路的使用 率分布均匀，减少了故障率。功能特点-2? 系统具有多重可靠性措施，设置系统故障连锁状态及应急预案，维护量非常少，能够达到减人提效、无人 值守的目的。 ? ? 系统可扩展性强，可随时增加节点。 数据实时显示、存储以及远程传输，并自动生成系统运行报表。上位操作站具有丰富的图形、图表画面，直观、形象、实时地反映系统工作状态，操作快捷方 便。组态监控画面-【示例】
矿井水处理系统
具体应用-【中央泵房主排水系统自动化】?系统建成后能够实现以下功能-1： ?实现泵房无人值守自动控制运行。 ?具备网络测控功能、具有系统故障自诊断功能（包括PLC故障自诊断、传感器故障诊断等）。?系统具备多种制模式：网络控制、就地自动控制、就地 手动控制几种操作方式。 ?充分考虑 节能降耗：在水仓水位满足条件的前提下， 系统能按避峰填谷的原则进行水泵的启停控制；按连续运转的时间长短控制倒机运行。具体应用-【中央泵房主排水系统自动化】?系统建成后能够实现以下功能-2： ?按操作规程要求的顺序进行水泵的启动和停止操作。 ?对电机和水泵的运行参数及保护参数进行实时的监 测和传送，这些参数包括：电机温度（定子温度和轴温）、泵体温度（壳体温度和轴温）、实时流量、水位、真空度、电压、电流、水泵出水口压力、各种闸 阀、电磁阀的位置信号、过转矩信号等。?整个系统做到可靠运行、维护方便、修改灵活。具体应用-【井下排水系统自动化】? ? 水灾已是目前重大灾害的主力军，水情预警是自动化排水的重要内容。水量采集，存储及分析??提前起动报警及相关排水设备自动排水应做到多点量化，提前排控具体应用-【井下排水系统自动化】具体应用-【井下排水系统自动化】具体应用-【井下排水系统自动化】?系统技术性能及特点-1 ?先进性：系统为当今工业控制系统的领先产品，地面控制主站采用计算机进行优化控制，控制分站为国际品牌的PLC 控制器。系统可对整个控制过程进行集中监控，能实 时采集和显示现场各生产环节设备的运行状态，具备数据处理及与全矿井综合控制系统联网功能。?可靠性：具有自诊断功能和故障处理能力，保证系统的 可靠运行。 ?可扩展性：系统的软硬件留有充足的扩展余量，以保证 将来的技术和产品升级。具体应用-【井下排水系统自动化】?系统技术性能及特点-2?易操作性：用户无须进行任何编程，只需按照系统提示进行相应的操作即可。 ?直观便捷：监控站具有液晶显示器，图形动画显示，具 有各种曲线图表及数据/故障记录，方便用户查询。 ?扩展冗余：选择的计算机和系统软件留有备用容量和以 太网接口，可以方便地实现系统扩展（如增加其他保护装 置等）和接入全矿井综合自动化平台。具体应用-【井下水情预警】? 水情监测系统由水窝点信息采集、数据传输、处理及综 合分析软件组成；开发煤矿水情预警信息管理系统的关 键技术，在于加强对开采工作面区域的实时水情参数监测，并将自动排水系统、预警信息管理进行综合技术开发，为煤矿井下提供一整套切实可行的水情监测系统。 ? 本系统将 200个水窝点监测的数据通过有线或无线的方 式传输到中控室，通过水情预警分析软件，实现各个水 窝点、水窝点支线、区域、全矿井的水情监测。具体应用-【井下水情预警】? 采用多种的计量方式，对水情进行数据处理。 ? 分级计量：通过水窝点的压力、水泵的开停时间和泵的 扬程计算本水窝点的日流量或规定时间内的出水量。还可直接通过流量计计量。对两种计量进行对比分析。? 区域计量：将区域范围内各水窝出水量进行统一计量。 ? 总体计量：各个水窝点的出水量的总和。 ? 分级预警：将各个水窝点的日、月、年的数据进行统一 分析，如果某一水窝点的出水量变化率发生突变时，上位 机显示此水窝点的报警。具体应用-【井下水情预警】? 区域预警：将区域的出水量进行累计，当某一区域的出水量变化率发生突变时，上位机就会显示此水窝点的报警。 ? 综合预警：将各个水窝点的出水量进行综合累计， 并对每天、每月、每年同期出水量进行对比。如当天出 水量超过前日出水量或连续多日出现出水量增大，超过 正常出水量时，系统将发出预警信号。对每月、每年的 同一时期的出水量进行比较，做为长时间水情分析的参 考数据。具体应用-【井下水情预警】水涡点分布图具体应用-【井下水情预警】水涡点分布图水涡点数据采集与控制具体应用-【井下水情预警】网络结构图具体应用-【井下水情预警】水涡点分布图流量曲线分析排水系统类别(一) 单水平开采的排水系统直接排水系统 单水平开采的排水系统分段排水系统(一) 单水平开采的排水系统 （a）竖井单水平开采直接排水系统（d）斜井单水平开采系统简单 开拓量小? ???基建费用低管理方便? 全部矿水聚集于水 仓中，并用排水设 备直接排至地面。? 排水管可沿井筒 敷设或敷设在专 用钻孔中，(一) 单水平开采的排水系统（b）井筒中部开拓泵房和水仓分段排水系统（c）只开中间泵房，不开水仓? 优点是上、下设备互不影响， 可靠性高，但开拓工程量大；优先采用? 不开拓中间水仓，但因要求 上、下任意两台水泵都能串 联工作，而使管路布置十分 复杂，并且下部的排水设备 可能受到全井深的水头压力。(二) 多水平同时开采的排水系统1、独立排水系统 ? 当各水平涌水量都较大时，在各水平 分别设置水仓、泵房和排水设备，以 便将各自水平的水直接排至地面。? 优点是上、下水平互不干扰； ? 缺点是设备多，管路多。(二) 多水平同时开采的排水系统2.集中排水系统 ? 当上水平的涌水量较小，没有必要单 独设置排水设备时，可将上水平的水 下放到下水平，而后由下水平的水泵 排至地面。? 优点是只需一套排水设备； ? 缺点是上水平的水下放后再上 排，损失了水的位能，增加了 电耗。(二) 多水平同时开采的排水系统3.分段排水系统 ? 将下水平的水用辅助排水设备排至上 水平的水仓中，然后集中排至地面。? 缺点一旦上水平的排水设备发 生故障，两水平都有被淹没的 危险。? 常用于具有下山的缓倾斜煤层矿井、且涌水量较小的情况矿井主排水系统(培训资料)矿井水的防治非常重要?矿井涌水量可达到17m3/s，有时甚至超过20m3/s。?煤炭开采过程中，由于地层结构被破坏，岩层断裂，使采区与储水层 连通，涌水量会突然增加。 ?如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产就可能受到阻碍， 井下的安全就会得不到保障，严重时会造成重大事故，给人民的生命、 国家的财产都带来极大的威胁。为了确保煤矿的安全生产，必须建立 完备的矿井排水系统。新井煤矿透水案例分析▲日19时36分，山西省大 同市左云县张家场乡新井煤矿发生特别重 大透水事故，造成56人死亡，直接经济 损失5312万元。 ▲事故的直接原因是：新井煤矿在多条 巷道透水征兆十分明显的情况下，未采 取有效措施，仍违法在采空区附近组织 生产，冒险作业，由于受放炮震裂松动、 水压浸泡以及采掘活动带来的矿山压力 变化影响，破坏了采空积水区有限的安 全煤柱，导致了事故发生。 新井煤矿透水现场图壮大煤矿煤矿透水案例分析▲ 日 7时40分左右，来宾 市泡水煤田壮大煤矿2号井主井发生重 大透水事故，21人全部遇难，直接经济 损失约80万元。▲事故的直接原因是：由于2号副井 积水上涨并通过岩层裂隙与溶洞相通， 使溶洞内水压不断增大，最终击穿溶 洞与2号井主井井底水仓之间的隔离 岩层而导致透水发生的重大责任事故。壮大煤矿透水事故现场黄山煤矿煤矿透水案例分析▲ 日9时53分，徐州矿务集 团有限公司大黄山煤矿一号井-320水平西 一采区3201工作面材料道掘进迎头发生一 起透水事故，。22人遇难，事故直接经济 损失278.33万元。 ▲事故的原因是： (1)制定的探放水措施不当，探眼深度和角 度均不符合有关规定的要求，是造成这起 事故的重要原因。 (2)区域性生产系统不完善，顶板压力大， 巷道断面小、不畅通，矿井处于收缩报废 阶段，生产作业人员相对集中，是造成事 故伤亡人员增加的重要原因。 (3)现场安全管理松懈，监督检查不力，不 能及时掌握现场的实际情况；在现场出现 问题时，又未能及时发现和处理，是造成 这起事故的原因之―。黄山煤矿透水现场图王家岭煤矿煤矿透水案例分析▲2010年王家岭矿“3?28”透水事故 最包含各类专业文献、文学作品欣赏、行业资料、各类资格考试、专业论文、幼儿教育、小学教育、应用写作文书、煤矿综合自动化系统-排水系统07等内容。　
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