工業(yè)以太環(huán)網系統(tǒng)設計方案

1、煤礦工業(yè)以太環(huán)網系統(tǒng)設計方案中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院徐州珂爾瑪科技有限公司徐州珂爾瑪科技有限公司20222022 年年 3 3 月月 1111 日日目目 錄錄1 總述總述.31.1 指導思想.51.2 設計原則.51.3 設計依據(jù).62 工業(yè)以太網工業(yè)以太網.73 煤礦以太網絡平臺煤礦以太網絡平臺.103.1 概況.103.2 礦井綜合自動化網絡的現(xiàn)狀與發(fā)展.113.2.1 煤礦用現(xiàn)場總線.113.2.2 工業(yè)以太網技術.143.2.3 以太網在工業(yè)控制領域應用的發(fā)展趨勢.153.2.4 當前工業(yè)以太網的發(fā)展.183.2.5 工業(yè)以太網是礦井綜合自動化系統(tǒng)網

2、絡平臺的最佳選擇.193.3 煤礦礦井工業(yè)以太環(huán)網建設方案.213.3.1 系統(tǒng)構架.213.3.2 關鍵技術.223.3.3 網絡拓撲結構.243.3.4 核心設備技術選型.263.3.5 主要網絡性能指標.263.3.6 系統(tǒng)特點.271 總述總述能源是國民經濟的基礎，我國一次性能源 70%以上來自于煤炭，95%以上的煤炭產量來自于井工開采礦井，井工開采礦井平均深度 500 米左右，煤礦井下采、掘工作面地質條件復雜，環(huán)境惡劣，自然災害多，嚴重影響煤礦生產和人身安全。對煤礦生產中的各個生產與保障環(huán)節(jié)的主要參數(shù)進行各種各樣的監(jiān)測與控制是煤礦正常、安全生產的重要保障。在我國，傳統(tǒng)的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主

3、要有 KJ4 系統(tǒng)、KJ90 系統(tǒng)、KJ95 系統(tǒng)等，這些監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)基本上都采用集散系統(tǒng)結構，一般由現(xiàn)場測控分站和控制中心主站組成。雖然這些監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在我國煤炭安全監(jiān)測監(jiān)控領域曾經發(fā)揮了巨大作用，但隨著煤礦生產的發(fā)展，這些系統(tǒng)固有的缺陷已嚴重制約了煤礦生產的發(fā)展，這些缺陷主要表現(xiàn)在以下兩個方面：1）缺乏統(tǒng)一的通信協(xié)議標準和網絡結構，國內生產的安全生產監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)多為封閉系統(tǒng)，系統(tǒng)中使用的通信協(xié)議和信息交換標準都是由廠商自己制定的，嚴格保密，互不兼容，與其它系統(tǒng)聯(lián)網很困難，難以做到數(shù)據(jù)共享。網絡結構和通信模式多樣，極不規(guī)范。每種系統(tǒng)都需要建立自己的通信網絡，造成重復投資，通信資源利用低下。2

4、） 傳輸速率低，一般監(jiān)測系統(tǒng)的網絡傳輸速率都在 4800bps 以下，不僅不能用于傳輸多路信息，甚至原有系統(tǒng)的擴容也很難實現(xiàn)。較為先進的綜合自動化系統(tǒng)，其井下的設備層速率也僅僅為 125kbps。這樣的傳輸網絡不能同時傳輸圖像和話音信號，也無法形成一個真正的通信網絡平臺。建設高產高效現(xiàn)代化礦井是當今世界煤炭生產發(fā)展的主流，并以一礦一面或一礦兩面的生產模式實現(xiàn)高產高效。我國要建設 100 對高產高效礦井，20 對特級高產高效礦井，走集約化生產道路，在效率、單產、技術水平、科學管理、安全生產、經營調度等方面趕上世界先進水平，以先進的網絡技術、多媒體技術、數(shù)字視頻技術、通訊技術、軟件技術等采集、處理

5、生產、安全、經營等信息。國家經貿委提出，用信息化改造包括煤炭在內的 18 個傳統(tǒng)行業(yè)是我國信息化的重點。而煤炭行業(yè)正是最具傳統(tǒng)色彩的行業(yè)之一。煤炭行業(yè)的信息化改造就是用信息技術改造煤炭行業(yè)的生產、經營模式，實現(xiàn)從礦山勘探、礦山規(guī)劃設計、礦山開拓建設、煤礦生產過程、礦山經營決策的數(shù)字化、信息化。即以下六個方面：1）礦產資源信息和礦山設計、礦井建設及開采過程的數(shù)字化、可視化。2）煤礦生產過程監(jiān)控、全礦井生產安全環(huán)境監(jiān)測、生產過程信息綜合利用等方面的網絡化、自動化和智能化。3）各種檢測儀器儀表、自動化設備在惡劣生產環(huán)境中的創(chuàng)新應用與網絡化監(jiān)測與控制。4）煤炭企業(yè)辦公自動化及電子商務系統(tǒng)。5）基于信息

6、融合技術滲透到生產與經營各個層面的決策支持系統(tǒng)。6）礦區(qū)信息網絡系統(tǒng)建設要實現(xiàn)這些目標，必須改造傳統(tǒng)單一功能的生產、安全調度指揮系統(tǒng)，建立一個數(shù)字化的網絡信息平臺，實現(xiàn)全礦井乃至全礦區(qū)的信息化。煤礦急需要新的網絡技術，以帶動全礦綜合自動化程度的提高，促進煤礦生產向高產高效方向發(fā)展。在新一代煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和網絡通信系統(tǒng)研究領域，使用工業(yè)以太網構建礦井寬帶多媒體綜合業(yè)務數(shù)字網，對工業(yè)以太網在煤礦井下應用的可行性、可靠性等方面進行了詳細的理論分析和證明，通過了煤礦安全防爆認證和工業(yè)性現(xiàn)場試驗測試，取得了極高的評價。1.11.1指導思想指導思想統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng)一組織，分步實施，急用先建，突出重點，慎

7、重投入。充分利用和依靠現(xiàn)有設備、人員和工作基礎，滿足實際需求，兼顧長遠發(fā)展，充分合理利用各種資源是綜合自動化建設的指導思想。力求使礦井各類信息集成為實現(xiàn)異構條件下的信息聯(lián)通與共享，功能集成為不同應用系統(tǒng)聯(lián)動、協(xié)調有序運行，避免各自孤立的監(jiān)控系統(tǒng)不能使信息資源和設備資源得以充分發(fā)揮的弊端。使礦井生產安全可靠，有效地預防和及時處理各種突發(fā)事故和自然災害；實現(xiàn)全礦井數(shù)據(jù)采集、生產調度、經營管理、決策指揮的網絡化、信息化、科學化。統(tǒng)一標準和規(guī)范。確保指標體系、信息標準、業(yè)務流程、系統(tǒng)設備配置、系統(tǒng)軟件、通信技術等基本采用統(tǒng)一的標準和規(guī)范。采用先進而成熟的實用技術，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。365 天，

8、每天 24 小時正常運行，保證各系統(tǒng)的保密性和安全性。遵循人員培訓先行、軟件開發(fā)先行、設備適時到位，重在應用的原則。1.2設計原則設計原則設計總方針是立足信息化大前提，保證系統(tǒng)的先進性、安全性、可靠性，安裝、使用和維護方便簡單。（1）遵循“高起點、高技術、高質量、高效率、高效益”五高原則，力爭達到國際先進、國內領先水平，建成煤炭行業(yè)企業(yè)信息化示范工程；（2）與時俱進、注重實效、全面規(guī)劃、分步實施、填平補齊、重點突出。適應煤礦的信息化工作發(fā)展需要，既具有先進性，又可靠實用；（3）按照跨越式發(fā)展的技術方法，使技術經濟指標最優(yōu)，投入產出比最大。充分利用煤礦現(xiàn)有的資源，少花錢、多辦事；（4）采用的技術

9、和設備安全可靠、先進實用、系統(tǒng)開放、易于升級，易于擴展；（5）采用現(xiàn)行的國家標準，符合煤炭行業(yè)信息化建設總體規(guī)劃綱要；（6）本著保護用戶投資，最大限度地利用用戶已成功使用的系統(tǒng)結構，確保不影響這些系統(tǒng)的正常運行；（7）系統(tǒng)建設基于煤礦計算機網絡和通信網絡，基于 Web、B/S 結構，能夠與現(xiàn)有綜合信息查詢軟件集成，能夠非常方便實現(xiàn)信息聯(lián)網。1.31.3設計依據(jù)設計依據(jù) 關于促進煤炭工業(yè)信息化建設的建議 煤礦安全規(guī)程 （2006） 智能調度室裝備規(guī)范 爆炸性環(huán)境用防爆電氣設備本質安全型電路和電氣設備要求GB3836.4-2000 爆炸性環(huán)境用防爆電氣設備通用要求GB3836.1-2000 礦用一

10、般型電氣設備GB12173-90 煤礦通信、檢測、控制用電工電子產品通用技術要求MT209-90 工業(yè)電視系統(tǒng)工程設計規(guī)范GBJ115-87 企業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測方法GB/T16664-1996 通用用電設備配電設計規(guī)范GB50055-93 礦山電力設計規(guī)范GB50070-94 劃設計目標 煤炭工業(yè)礦井設計規(guī)范GB 502152005 煤炭洗選工程設計規(guī)范 GB 503592005 煤礦安全裝備基本要求 煤炭工業(yè)調度信息化建設總體規(guī)劃綱要 （試行） 煤炭調度信息化裝備技術規(guī)范 （試行） 計算機軟件開發(fā)規(guī)范GB 8566 電子計算機房設計規(guī)范 電子計算機場地通用規(guī)范GB/T 28872000

11、煤炭工業(yè)信息化“十一五”發(fā)展規(guī)劃 MT/T1006-2006 礦用信號轉換器 MT/T1007-2006 礦用信息傳輸接口 GB-T15972.15-1998 光纖總規(guī)范2 工業(yè)以太網工業(yè)以太網所謂工業(yè)以太網，是指技術上與商用以太網(即 IEEE802.3 標準)兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。簡言之，工業(yè)以太網是將以太網應用于工業(yè)控制和管理的局域網技術。目前的工業(yè)控制領域有兩種較為流行的技術方案，一個是現(xiàn)場總線技術，另一個就是工業(yè)以太網技術?，F(xiàn)場總線是現(xiàn)今使用最廣泛的工業(yè)控制技術，但現(xiàn)場總線最大的問題是標準太多，形同沒有標準，煤礦需

12、要的是建立統(tǒng)一、開放的網絡，各個不同公司的監(jiān)測監(jiān)控設備均能夠掛接在這個網絡上傳輸，顯然，如果使用現(xiàn)場總線，用作連接傳感器的設備級網絡還可以勝任，但作為井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鞲删W絡，則無論在傳輸速率上、傳輸距離和鏈路冗余等方面都不能滿足我們的需要，而且勢必是使得井下傳輸網絡由一個互不兼容的多系統(tǒng)結構過渡到另一個互不兼容的多系統(tǒng)結構，這顯然不符合煤礦建設現(xiàn)代化礦井、實現(xiàn)綜合自動化的需要。與包括現(xiàn)場總線在內的其它網絡相比，以太網具有以下優(yōu)點：1） 應用廣泛以太網是目前應用最為廣泛的計算機網絡技術，受到廣泛的技術支持。幾乎所有的編程語言都支持 Ethernet 的應用開發(fā)，如Java，Visual C+及

13、Visual Basic 等。這些編程語言由于廣泛使用，并受到軟件開發(fā)商的高度重視，具有很好的發(fā)展前景。因此，如果采用以太網作為現(xiàn)場總線，可以保證多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境供選擇。2） 成本低廉由于以太網的應用最為廣泛，因此受到硬件開發(fā)與生產廠商的高度重視與廣泛支持，有多種硬件產品供用戶選擇。而且由于應用廣泛，硬件價格也相對低廉。目前以太網網卡的價格只有 Profibus，F(xiàn)F 等現(xiàn)場總線的十分之一，并且隨著集成電路技術的發(fā)展，其價格還會進一步下降。3） 通信速率高目前以太網的通信速率為 10Mbps，100Mbps 的快速以太網也已經廣泛應用，1000Mbps 以太網技術也逐漸成熟，10Gbps

14、 以太網也正在研究，其速率比目前的現(xiàn)場總線快得多。另外以太網可以滿足對帶寬的更高要求。4） 軟硬件資源豐富由于以太網已應用多年，人們對以太網的設計、應用等方面有很多的經驗，對其技術也十分熟悉。大量的軟件資源和設計經驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓費用，從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。5） 可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ笥捎谝蕴W的廣泛應用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術投入。并且，在這信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網絡，信息技術與通信技術的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網技術不斷地持續(xù)向前發(fā)展。6） 易于

15、與 Internet 連接，能實現(xiàn)辦公自動化網絡與工業(yè)控制網絡的信息無縫集成，傳統(tǒng)的工業(yè)控制網絡體系結構如圖 3 所示，由于在企業(yè)網絡不同層次應用不同類型的網絡，它們之間需要安裝網關對數(shù)據(jù)進行轉換。如今的控制網絡中，以太網已經成為企業(yè)層和控制層的主要網絡技術。同時，控制器、PLC 和 DCS 廠商已經開始提供以太網接口，這使得整個網絡的瓶頸效應集中在應用現(xiàn)場總線的設備層上。通過以上分析可以看到，以太網在技術、速度和價格等許多方面都有著其它網絡無可比擬的優(yōu)勢，隨著以太網性能的提高和解決以太網實時性問題的技術不斷推出，將以太網應用于工業(yè)現(xiàn)場將是工業(yè)控制領域的必然選擇。目前，工業(yè)以太網在地面上已經有

16、實際應用。國家煤礦安全監(jiān)察局有關領導在新近舉行的制定煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)安全條件研討會上提出，使用工業(yè)以太網作為井下的主干傳輸網絡、現(xiàn)場總線作為連接傳感器等現(xiàn)場設備的網絡，應當是近期內礦井傳輸網絡的研究重點和建設方向。可以預見、工業(yè)以太網也將是未來礦井寬帶通信網絡建設的必然選擇。3 煤礦以太網絡平臺煤礦以太網絡平臺3.1 概概況況綜合自動化網絡平臺主要作用是為礦區(qū)提供一個安全可靠、容量大、功能強、便于維護、穩(wěn)定可靠的傳輸網，以保證各種業(yè)務的穩(wěn)定傳輸；包括建立滿足礦區(qū)數(shù)據(jù)及流媒體業(yè)務需求的數(shù)據(jù)交換網絡，建立滿足礦區(qū)生產、生活的圖像業(yè)務網絡，為礦區(qū)的安全生產提供可靠有效的通信保證。綜合自動化網絡平

17、臺是礦區(qū)綜合自動化的業(yè)務主要承載平臺，網絡平臺的規(guī)劃、建設決定了網絡的運行質量和發(fā)展，是綜合自動化的重要組成部分。綜合自動化網絡平臺建設設計過程中著重考慮以下幾點要求： 實用性：實用性：從實際應用角度出發(fā)，力求簡單實用。系統(tǒng)應能夠滿足煤礦綜合信息網絡系統(tǒng) 510 年發(fā)展的要求，并具備良好的擴展性。 安全性：安全性：包括企業(yè)網絡系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)資料的完整性安全和網絡安全，系統(tǒng)要具有抗侵入、容錯和容災的能力。 先進性：先進性：超前性和先進性是每一個企業(yè)信息網建設期望達到的目標，但是隨著計算機及網絡技術的發(fā)展，先進的、新的網絡技術面臨著技術和產品上不十分成熟的問題，而原有的成熟的網絡技術和產品又勢必被

18、新技術所取代。 開放性：開放性：選用開放的硬件和軟件平臺，支持多種主機互連，系統(tǒng)互連全部采用國際標準的網絡層通訊協(xié)議 TCP/IP，設計選型主機系統(tǒng)的生產廠商滿足產品遵循 TCP/IP 標準，方便地實現(xiàn)多種主機的互連。 可擴充性：可擴充性：要擁有簡單易行的擴充升級能力，滿足未來的應用擴展的需要。 投資保護：投資保護：在保證系統(tǒng)能夠安全、可靠運行的前提下，最大限度地降低系統(tǒng)造價，保護原有的計算機設備投資。考慮用戶未來業(yè)務發(fā)展的需要，結合業(yè)務拓寬的需求，預留了與其它應用系統(tǒng)的接口，解決了網絡平臺實現(xiàn)語音、調度、數(shù)據(jù)、視頻、監(jiān)測監(jiān)控等多業(yè)務網網絡合一問題。3.2 礦井綜合自動化網絡的礦井綜合自動化網

19、絡的現(xiàn)狀與發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展目前的工業(yè)控制領域有兩種較為流行的技術方案，一個是現(xiàn)場總線技術，另一個就是工業(yè)以太網技術。計算機網絡技術的飛速發(fā)展，帶動了工業(yè)控制系統(tǒng)技術水平的快速提高，工業(yè)以太網（Ethernet）技術將取代傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)（DCS）中通信網絡的各種專利協(xié)議，現(xiàn)場總線技術則給測控領域帶來了一場革命，使過程控制領域的自動化裝置由 DCS 向 FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）過度。工業(yè)以太網（Ethernet）和現(xiàn)場總線技術給煤礦監(jiān)測監(jiān)視監(jiān)控技術的跳躍或發(fā)展帶來了極好的機遇，也為礦井多媒體綜合業(yè)務數(shù)字網絡系統(tǒng)項目開發(fā)成功提供了技術基礎。所謂工業(yè)以太網，是指技術上與商用以太網(即 IEEE80

20、2.3 標準)兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。簡言之，工業(yè)以太網是將以太網應用于工業(yè)控制的局域網技術。.1 煤礦用現(xiàn)場總線煤礦用現(xiàn)場總線目前國內較為典型的礦用綜合自動化網絡控制系統(tǒng)的典型應用有：神東公司大柳塔煤礦綜合自動化系統(tǒng)，兗礦集團濟三煤礦及晉城礦務局寺河煤礦的美國霍尼威爾（Honeywell）公司 HIMASS 系統(tǒng)，以上三套裝備均采用的是礦用現(xiàn)場總線結構。1 1、現(xiàn)場總線技術及其協(xié)議標準、現(xiàn)場總線技術及其協(xié)議標準開發(fā)現(xiàn)場總線最初的目的是用數(shù)字儀表內部具有的數(shù)字信號替代420mA 等模擬信號，實現(xiàn)控制室與現(xiàn)場之間

21、的信息傳輸?，F(xiàn)場總線應用以后，人們得到了更多的好處，例如控制功能徹底分散到現(xiàn)場，先進的現(xiàn)場設備管理功能得以實現(xiàn)，系統(tǒng)的可靠性大大提高等等。目前現(xiàn)場總線已廣泛用于過程控制、制造業(yè)及其它測控領域，如電力監(jiān)控、樓宇自動化、環(huán)境監(jiān)控、交通工具、能源管理、自動測試系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、機器人及其它各種自動化領域。自 20 世紀 80 年代中期開始，世界上各大控制廠商及標準化組織推出了多種互不兼容的現(xiàn)場總線協(xié)議標準。從 1984 年起由 IEC（國際電工委員會）和 ISA（原美國儀表學會）開始了制訂國際標準的工作，由于受到大控制廠商相互競爭的影響，國際標準的制訂困難重重，商業(yè)集團為了自身的利益給國際標準的投票通

22、過制造阻力，使得國際標準遲遲不能完成。最終不得已在 1999 年 12 月通過了一個包含多種互不兼容的協(xié)議的標準，即 IEC61158 國際標準。該標準包括了目前國際上 8 類主要的現(xiàn)場總線協(xié)議。他們從 Type1Type8 分別是：IEC61158 技術規(guī)范（即 IEC/ISA SP50，曾試圖使之成為統(tǒng)一的國際標準的一個技術規(guī)范） ；Control Net 現(xiàn)場總線；Profibus 現(xiàn)場總線；P-Net 現(xiàn)場總線；FF HSE（High Speed Ethernet，高速以太網） ；Swift Net 現(xiàn)場總線；WorldFIP 現(xiàn)場總線；Interbus 現(xiàn)場總線，此外，還有德國 Bo

23、sch 公司推出的 CAN（控制器局域網）現(xiàn)場總線和由美國 Echelon 公司推出的 Lon Works 現(xiàn)場總線，在許多行業(yè)獲得了廣泛應用。2 2、礦井對現(xiàn)場總線標準的基本要求、礦井對現(xiàn)場總線標準的基本要求 根據(jù)礦井的要求進行適當擴充后用于煤礦則使完全可行的，鑒于礦井的特殊條件，對井下現(xiàn)場總線有一些基本要求；（1）網絡結構。 井下網絡以兩級較為合適，即一級高速主干網下接一級低速（設備級）現(xiàn)場總線網，甲烷超限報警斷電等緊急操作應能由設備級現(xiàn)場自主操作，主干網采用光纖或同軸電纜作媒體，應能同時傳輸多媒體信息，考慮到礦井的特點，網絡拓撲以總線型為宜，加上分支器可構成樹型。（2）傳輸距離。 根據(jù)礦

24、井巷道要求，主干網傳輸距離應大于 10km，設備級現(xiàn)場總線的傳輸距離能達 1-2km，考慮到對于監(jiān)控規(guī)模較小的礦井應能省去主干網而僅用一級低速現(xiàn)場總線，其傳輸距離則也應達 10km 以上。（3）響應時間。 對安全監(jiān)控，考慮到瓦斯突出礦井的要求，響應時間應在 1S 以下，對生產監(jiān)控應在數(shù)十毫秒數(shù)量級，響應時間與通信速率有關，但不是反比關系，這是因協(xié)議復雜的總線通信效率低造成的。（4）本安特性與供電。 設備級總線應能滿足本質安全要求或經簡單的安裝能滿足本質安全要求，低速總線應能給被連接的現(xiàn)場設備直接供電或共纜供電，因此礦井低速現(xiàn)場總線的傳輸媒體一般不宜采用光纖。（5）抗干擾能力和對惡劣環(huán)境的適應能

25、力。 礦井的電磁干擾較強，溫濕度環(huán)境差，因總線距離長，加于收發(fā)器上的共模電壓較高，現(xiàn)場總線設備應能滿足要求。（6）硬件軟件支持和開發(fā)難度。 選用的標準應有完善的硬軟件支持，有開發(fā)工具，開發(fā)容易。3 3、井下設備級現(xiàn)場總線協(xié)議標準的選擇、井下設備級現(xiàn)場總線協(xié)議標準的選擇現(xiàn)場總線協(xié)議的 OSI（開放系統(tǒng)互連）模型一般層次較少，通常由OSI 七層模型（ISO 7498）的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層 3 層或再加上用戶層 4 層組成，也有層次較多的，如 P-Net 和 Lon Works，一種現(xiàn)場總線可以有不同的物理層或應用層，網絡傳輸性能主要取決于它的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，在研究、選擇、制訂礦用現(xiàn)場總

26、線標準時，可以選擇、組合幾種不同的現(xiàn)場總線技術。4 4、結論、結論現(xiàn)場總線是現(xiàn)今使用最廣泛的工業(yè)控制技術，但現(xiàn)場總線最大的問題是標準太多，煤礦需要的是建立統(tǒng)一、開放的網絡，各個不同公司的監(jiān)測監(jiān)控設備均能夠掛接在這個網絡上傳輸，顯然，如果使用現(xiàn)場總線，用作連接傳感器的設備級網絡還可以勝任，但作為井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鞲删W絡，則無論在傳輸速率上、傳輸距離和鏈路冗余等方面都不能滿足我們的需要，而且勢必使得井下傳輸網絡由一個互不兼容的多系統(tǒng)結構過渡到另一個互不兼容的多系統(tǒng)結構，這顯然不符合煤礦建設現(xiàn)代化礦井、實現(xiàn)綜合自動化的需要。.2 工業(yè)以太網工業(yè)以太網技術技術在 OSI/ISO 七層協(xié)議

27、中，以太網本身只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，作為一套完整的網絡傳輸協(xié)議，必須具有高層控制協(xié)議，以太網使用了TCP/IP 協(xié)議；IP（internet protocol）用來確定信息傳遞路線，而TCP（transmission control protocol）則是用來保證傳輸?shù)目煽啃?，雖然TCP/IP 并不是專為以太網而設計的，但實際上它們現(xiàn)在已經是不可分離的了。IP 技術是 Internet 的基礎，它相當于地址門牌號，被許多傳輸協(xié)議所應用，如 IEEE1394，ATM（asynchronous transfer mode） ，TCP，UDP(the user datagram protoco

28、l)等等。它還可以適用于其它的通信標準，如 FTP（file transfer protocol）和 SMTP(simple mail transfer protocol)等。IP 為每個數(shù)據(jù)包提供獨立尋址的能力，但不能保證每個數(shù)據(jù)包都能正確地到達目的地，網絡阻塞和傳輸錯誤都可能使數(shù)據(jù)包丟失。而TCP 就是解決這一問題的，它在兩點之間建立一條可靠的連接通道，保證數(shù)據(jù)流的正確傳遞。隨著 Internet 的迅猛發(fā)展，以太網已成為事實上的工業(yè)標準，TCP/IP 簡單實用，為廣大用戶所接受。目前不僅在辦公自動化領域內，而且在各個企業(yè)的管理網絡也都廣泛使用以太網。在現(xiàn)場總線協(xié)議中，為提高傳輸效率，一般

29、只定義七層協(xié)議中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。為與以太網融合，通常在數(shù)據(jù)包前加入IP 地址，并通過 TCP 來進行數(shù)據(jù)傳遞。具體結構如下圖所示。.3 以太網在工業(yè)控制領域應用的發(fā)展趨勢以太網在工業(yè)控制領域應用的發(fā)展趨勢一般來說，現(xiàn)場總線標準的通信協(xié)議比較簡單，通信速率比較低。如基金會總線 FF 的 HI 和 PROFIBUS-PA 的傳輸速率只有 31.25Kbps。但隨著儀器儀表智能化的提高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也必將趨于復雜，未來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能已不滿足幾個字節(jié)，甚至是 WEB 網頁，所以網絡傳輸?shù)母咚傩栽诠I(yè)控制中越來越重要。隨著智能傳感器和各種設備的應用和工業(yè)管理自動化的深入，在未

30、來幾年里，估計信息量還要再增加 10-30 倍。管理者希望得到更多的實時信息，比如生產系統(tǒng)、資源規(guī)劃系統(tǒng)、出勤記錄、勞動報告、物資跟蹤、維修管理系統(tǒng)、質量信息系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)和產品數(shù)據(jù)等。管理者不希望只能在一段時間后，才得到匯總信息。以太網以其廉價高速方便的特性獲得更多青睞。 另一重要原因時以太網已經在局域網和 Internet 上取得成功，而工業(yè)底層網絡的現(xiàn)場總線協(xié)議則數(shù)目眾多，不同協(xié)議的兼容問題一直困擾工業(yè)界。底層網絡引入以太網不僅使現(xiàn)場層、控制層和管理層在垂直層面方便集成，更能降低不同廠家設備在水平層面上的集成成本。所以以太網向控制系統(tǒng)的底層延伸是順理成章的。 10 多年前，人們還一直

31、認為以太網是為辦公自動化設計的，并沒考慮工業(yè)要求，比如缺乏確定性（determinism） 、魯棒性（robustness） ，在車間底層網中應用是脆弱的，存在不可預見性。這種是由以太網協(xié)議本身造成的。網絡每個節(jié)點通過競爭來取得信息包的發(fā)送權。節(jié)點通過監(jiān)聽信道，當發(fā)現(xiàn)信道空閑時，再發(fā)送信息，如果信道忙碌則需要等待。在開始發(fā)送信息后，需要檢查是否發(fā)生碰撞，發(fā)送信息發(fā)生碰撞時，退出重發(fā)。這樣如果網絡比較忙碌，或沖突節(jié)點相距甚遠時，就可能發(fā)生某些節(jié)點的信息不能及時發(fā)送，甚至長時間發(fā)不出去的情況，這在工業(yè)控制中是大忌。今天，這種局面已經得到根本的改觀。 “工業(yè)控制中的每一塊領域，從嵌入式系統(tǒng)到現(xiàn)場總線

32、，都意識到以太網和 TCP/IP 的重要意義” 。在過去幾年中，以太網標準有了許多進步，特別是在確定性，速度和信息優(yōu)先級方面。首先以太網的通信速率一再提高，從十兆到百兆，目前千兆以太網已在局域網、城域網中普遍應用，萬兆以太網也正加緊研制，同樣的通信量，通信速率的提高意味著網絡的負荷的減輕，而減輕網絡負荷則意味著提高確定性。有人作過試驗表明，在網絡負荷不超過 36%的情況下，以太網發(fā)生碰撞的可能性極小。其次交換技術的快速發(fā)展已經消除了以太網應用于控制領域的障礙。交換式以太網技術產生于 1992 年。這項技術使得多個網上設備之間同時進行通信時不會有沖突發(fā)生。其做法是把網絡用交換器分割成互不相連的幾

33、個網段，每個設備獨占一個網段，從而大大降低沖突的可能性。其系統(tǒng)結構如圖 3-2 所示。以太網不僅能建立一個高效開放有確定性的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，而且由于它已經在局域網上廣泛應用，所以它在控制層的應用可以使“從會議室到傳感器”都集成起來?，F(xiàn)在還可以利用交換技術將通信變?yōu)槿p工。這些都使以太網進入工業(yè)控制領域鋪平了道路。全雙工交換式以太網是確定性的。應用交換器可以消除沖突，而且現(xiàn)在它的價格也越來越便宜。.4 當前工業(yè)以太網的發(fā)展當前工業(yè)以太網的發(fā)展以太網描述了物理層的數(shù)據(jù)鏈路層，并已成為 Internet 的協(xié)議。所以，許多現(xiàn)場總線組織也在致力于發(fā)展 IP 和以太網技術，預計當前快速發(fā)展

34、的 IT（information technology）技術也能成為工業(yè)控制網絡中的一部分。當前有兩個組織致力于這方面的工作：The Industrial Ethernet Association(IEA， http:/)和 Industrial Automation Open Networing Alliance(IAONA，http:/)。各大公司也紛紛開發(fā)技術（見表 3-1） 。表表 3-13-1現(xiàn)場總線協(xié)議 對應以太網服務 應用基金會現(xiàn)場總線 FF FF HSE IEC61158 Type 5 FMS 與 UDP/IP 之間的映射 PROFIBUS PROFIBUS on Ethern

35、et FMS 與 TCP/IP 之間的接口Modbus Modbus TCP Modbus 與 TCP/IP 之間的接口Control Net 和 Device Net CIP on Ethernet CIP 與 TCP/IP 之間的接口Lon Works iLon LonTalk 與 TCP/IP 之間的接口Interbus 還未宣布 與 TCP/IP 之間的接口隨著微處理器和工業(yè)以太網的發(fā)展，未來的 I/O 設備可以就是一臺網絡服務器，通過瀏覽器網頁就可以實現(xiàn)設備的加載、組態(tài)、監(jiān)控。注冊時，系統(tǒng)可以通過 IP 自動搜索網絡上的硬件，這時組態(tài)軟件就可以顯示這些硬件，并提供組態(tài)界面。Windo

36、ws NT 對以太網驅動程序的支持，將使其成為工業(yè)控制中最合適的操作系統(tǒng)。Windows CE 也被認為是設備合適的嵌入式操作系統(tǒng)。有人預測 Windows NT 會占據(jù) 80%的市場分額，Windows CE 以其實時功能占據(jù) 16%，剩下的 4%使專用系統(tǒng)。.5 工業(yè)以太網是礦井綜合自動化系統(tǒng)網絡平臺的最佳選擇工業(yè)以太網是礦井綜合自動化系統(tǒng)網絡平臺的最佳選擇與包括現(xiàn)場總線在內的其它網絡相比，以太網具有以下優(yōu)點：（1）應用廣泛應用廣泛以太網是目前應用最為廣泛的計算機網絡技術，受到廣泛的技術支持。幾乎所有的編程語言都支持 Ethernet 的應用開發(fā)，如 Java，Visual

37、 C+及 Visual Basic 等。這些編程語言由于廣泛使用，并受到軟件開發(fā)商的高度重視，具有很好的發(fā)展前景。因此，如果采用以太網作為現(xiàn)場總線，可以保證多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境供選擇。（2）成本低廉成本低廉由于以太網的應用最為廣泛，因此受到硬件開發(fā)與生產廠商的高度重視與廣泛支持，有多種硬件產品供用戶選擇。而且由于應用廣泛，硬件價格也相對低廉。目前以太網網卡的價格只有 Profibus，F(xiàn)F 等現(xiàn)場總線的十分之一，并且隨著集成電路技術的發(fā)展，其價格還會進一步下降。（3）通信速率高通信速率高目前 100Mbps 的快速以太網已經廣泛應用，1000Mbps 以太網技術也逐漸成熟應用，10Gbps

38、甚至更高速以太網也正在研究，其速率比目前的現(xiàn)場總線快得多。另外以太網可以滿足對帶寬的更高要求。（4）軟硬件資源豐富軟硬件資源豐富由于以太網已應用多年，人們對以太網的設計、應用等方面有很多的經驗，對其技術也十分熟悉。大量的軟件資源和設計經驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓費用，從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。（5）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ罂沙掷m(xù)發(fā)展?jié)摿Υ笥捎谝蕴W的廣泛應用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術投入。并且，在這信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網絡，信息技術與通信技術的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以

39、太網技術不斷地持續(xù)向前發(fā)展。（6）易于與易于與 Internet 連接，能實現(xiàn)辦公自動化網絡連接，能實現(xiàn)辦公自動化網絡與工業(yè)控制網絡的信息無縫集成，傳統(tǒng)的工業(yè)控制網絡由于在企業(yè)網絡不同層次應用不同類型的網絡，它們之間需要安裝網關對數(shù)據(jù)進行轉換。如今的控制網絡中，以太網已經成為企業(yè)層和控制層的主要網絡技術。同時，控制器、PLC 和 DCS 廠商已經開始提供以太網接口，這使得整個網絡的瓶頸效應集中在應用現(xiàn)場總線的設備層上。通過以上分析可以看到，以太網在技術、速度和價格等許多方面都有著其它網絡無可比擬的優(yōu)勢，隨著以太網性能的提高和解決以太網實時性問題的技術不斷推出，將以太網應用于工業(yè)現(xiàn)場將是工業(yè)控制

40、領域的必然選擇。目前，工業(yè)以太網在地面上已經有實際應用。國家煤礦安全監(jiān)察局有關領導在新近舉行的制定煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)安全條件研討會上提出，使用工業(yè)以太網作為井下的主干傳輸網絡、現(xiàn)場總線作為連接傳感器等現(xiàn)場設備的網絡，應當是近期內礦井傳輸網絡的研究重點和建設方向。可以預見、工業(yè)以太網將是未來礦井寬帶通信網絡建設的必然選擇。在以太網進軍工控領域的過程中，各大現(xiàn)場總線組織都予以高度重視，并紛紛出臺了自己的發(fā)展計劃。所以我們認為工業(yè)以太網是礦井多媒體綜合業(yè)務數(shù)字網絡系統(tǒng)的最佳選擇。3.3 煤礦礦井工業(yè)以太環(huán)網建設方案煤礦礦井工業(yè)以太環(huán)網建設方案.1系統(tǒng)構架系統(tǒng)構架根據(jù)以上分析，煤礦綜

41、合自動化網絡平臺可以采用設備層 + 工業(yè)以太冗余環(huán)網 + Intranet 管理網絡的三層結構模式。企業(yè)網絡系統(tǒng)在技術設計時，其骨干網絡可靠性和安全性是第一位的，同時要建設高帶寬、高可靠性的網絡主干。在煤礦綜合自動化網絡平臺骨干網的設計中將采用工業(yè)以太冗余環(huán)網技術組成。在此基礎上再通過二級、三級接入層交換機到達用戶桌面。為了安全和可靠在煤礦工業(yè)以太環(huán)網和企業(yè)管理層局域網之間設置防火墻，用來隔離管理網與生產控制網，保證生產控制網的安全。.2 關鍵技術關鍵技術礦用工業(yè)以太網必須整合工業(yè)以太網技術（包括環(huán)型冗余技術、鏈路聚集技術等） 、嵌入式系統(tǒng)技術等最為先進的網絡技術，能最大限度地

42、保證煤礦數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。1 1、工業(yè)以太網技術、工業(yè)以太網技術普通商用以太網不能保證網絡的冗余性、可靠性和實時性，為使以太網能夠成功應用在工業(yè)控制領域，許多研發(fā)機構和廠商相繼推出了以Intranet管理網絡（信息層）管理網絡（信息層）離散設備離散設備工業(yè)以太網工業(yè)以太網過程設備過程設備三層網絡結構示意圖三層網絡結構示意圖設備層控制層信息層太網的環(huán)冗余和鏈路聚合等技術。工業(yè)以太網環(huán)冗余技術工業(yè)以太網環(huán)冗余技術由于很多場合環(huán)境惡劣，存在網絡意外斷裂的可能較大，而另一方面，出于生產和安全的需要，對網絡的可靠性要求又很高，所以需要信息傳輸網絡能夠提供鏈路冗余。環(huán)型以太網結構的出現(xiàn)在很大程

43、度上解決了以太網的容錯問題，提高了以太網的可靠性。環(huán)型網絡構造了一個簡單環(huán)，從而保證了在某條鏈路意外損壞時數(shù)據(jù)仍然可以通過備用鏈路傳輸。在交換式以太網中，冗余的管理能夠實現(xiàn)很高的網絡可用性，交換式高速以太網啟用環(huán)冗余的時間少于 300ms，也就是說，一條鏈路出錯后，網絡可以在 300ms 時間以內重新可用。鏈路聚合技術鏈路聚合技術鏈路技術可以在不改變現(xiàn)有網絡設備以及原有布線的條件下，使用專用的軟件或軟硬件結合的產品，把多條交換機到服務器或交換機到交換機的數(shù)據(jù)通道捆綁起來，形成一條邏輯上的高帶寬數(shù)據(jù)鏈路，滿足高帶寬應用的需要，同時還可以增加網絡的負載均衡能力以及容錯性，極大地提高整個系統(tǒng)的性能。

44、當聚合鏈路中一條或幾條（不是全部）意外損壞時，數(shù)據(jù)仍然可通過剩余的物理鏈路傳輸。2 2、嵌入式系統(tǒng)技術、嵌入式系統(tǒng)技術嵌入式系統(tǒng)是能夠完成一種或多種特定功能的計算機系統(tǒng)，是軟硬件的緊密結合體。具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合于要求實時和多任務的應用環(huán)境。其最大的特點是其目的性或針對性很強，每一套嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設計都有其特殊的應用場合與特定功能，這也是嵌入式系統(tǒng)與通用的計算機系統(tǒng)最主要的區(qū)別。另外，嵌入式技術與實時性有著天然的聯(lián)系。由于嵌入式系統(tǒng)是為特定的目的而設計，且常常受到空間、成本、存儲、帶寬等的限制，因此它必須最大限度地在硬件和軟件上“量身定做”以提高效率，這樣的

45、結果最終導致了實時性的增強。在網絡通信設備和工業(yè)控制領域，嵌入式系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用，目前主要應用在路由器和交換機上。從根本上說，在網絡通信設備中，只要用到了 CPU，那么在其上一定要運行一個完成特定功能的操作系統(tǒng)，也就是嵌入式系統(tǒng)，所以嵌入式系統(tǒng)和網絡通信設備是不可分割的。實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS）是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺，它嵌入在目標代碼中，在系統(tǒng)復位后首先執(zhí)行，負責在硬件基礎之上，為應用軟件建立一個功能更為強大的運行環(huán)境，用戶的其它應用程序都建立在 RTOS 之上。實時操作系統(tǒng)主要任務是對事件的進行實時的處理，雖然事件可能在無法預知的時刻到達，但是軟件上必須在時間發(fā)生時能夠在

46、嚴格的時限之內作出相應，即使在尖峰負荷下也應如此。另外，實時操作系統(tǒng)的重要特點是具有系統(tǒng)的可確定性，即系統(tǒng)能對運行情況的最好和最壞等情況作出精確的估計。RTOS 是計算機專家們多年潛心研究的結果，使用 RTOS 不僅增加了嵌入式應用系統(tǒng)的可靠性，而且應用程序的調試也會方便許多。煤礦安全生產中一個關鍵的因素就是保證監(jiān)測信息和控制信息的實時傳遞，因而我們在礦用工業(yè)以太網產品設計時選擇具有高實時性保證的嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式處理器芯片，即使在網絡需要傳輸圖像、話音等大數(shù)據(jù)量的信號時，也能保證控制信號等重要信息的實時性。結合嵌入式 Web Server 技術，可以通過瀏覽器界面方便地對交換機進行管理和

47、控制。.3 網絡網絡拓撲結構拓撲結構綜合信息自動化控制平臺的主干網結構采用環(huán)形工業(yè)以太網，主干網傳輸介質為光纖，采用工業(yè)以太網交換機進行數(shù)據(jù)交換。地面、井下各設一個環(huán)網，兩個光纖環(huán)網在控制中心機房通過高性能的工業(yè)級核心交換機連接起來，構成一個統(tǒng)一的礦井監(jiān)控信息子網，該子網運行在一個相對獨立的網段中，通過硬件防火墻與以后建立的礦企業(yè)網（也即是信息網絡）隔離。工業(yè)環(huán)網與企業(yè)信息網間采用雙網卡信息發(fā)布服務器工業(yè)環(huán)網與企業(yè)信息網間采用雙網卡信息發(fā)布服務器+ +防火墻技術，或建議其它安全性更高的方式。防火墻技術，或建議其它安全性更高的方式。礦井自動化控制系統(tǒng)主控設備設于聯(lián)合樓控制中心。配置服務器、工作站、操作員站，控制網通過 Web 服務器、防火墻、路由器(可選)與信息網連接。主干網絡傳輸速率 1000Mbps，各子系統(tǒng)與主干網的連接為 10/100Mbps 自適應。同時，提供智能網關等設備，可使井下原