矿井工业以太网系统设计

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1、目录第、章 工业以太网系统平台架构 11.1工业以太网系统网络部分硬件架构 11.2井下网络设备供电及防爆设计说明（KJJ31）91.3主要设备技术性能介绍9第一章 工业以太网系统平台架构1.1 工业以太网系统网络部分硬件架构1.1.1 网络部分（控制层）概述XXX矿是一个高产高效的现代化矿井，为提高矿井的生产效率，对井下各个自 动控制子系统等环节实施统一操作、集中监控、统一调度。XXX矿工业以太网系统，根据管控一体化思想，以 三层网络为基础，结合自动化、信息、计算机、网络、通讯 的新理论和技术，采用世界先进的自动化产品、网络产品和工业控制软件、数据库软 件，将煤矿生产、管理的各个环节，统一在

2、一个网络平台上，形成一个统一、完整的 有机整体，使其在生产规模、系统结构、网络通讯、自动化覆盖围方面处于世界先进 水平。XXX矿工业以太网控制网络系统的建设应遵循数字化、高速化、智能化、标准 化、安全可靠、易扩充升级的原则进行设计，同时充分考虑公司信息化总体规划和 XXX矿工业以太网控制系统网络建设的现状。网络系统设计针对信息集成、结构分层、层间相对独立的原则，针对XXX矿的特点，网络系统的建设根据应用的不同层次，作如下设计：?信息管理层：建设信息管理网，采用标准TCP/IP协议和以太网技术。实现矿 区各个管理部门的网络连接，实现人、财、物以及工程项目管理的信息化， 能对煤炭的生产状况进行实时

3、监视，为管理决策提供依据。? 矿井工业以太网层：建设工业以太网控制网，采用现场工业总线加以实现， 实现将井上和井下区域控制器和设备监控站所采集的信息和控制信号传送 给有关系统。? 设备控制层：在设备控制层主要是煤矿个专业控制子系统，本方案将针对 XXX矿的实际情况给出其中一些子系统的建议接入方案。1.1.2 工业以太网网络部分设计原则网络通信系统是现代化生产管理系统的信息基础设施，其可靠性和可扩展性对煤 矿企业的安全生产至关重要，遵循以下的设计原则：? 可靠性煤矿行业的特点决定了网络系统必须具有很高的可靠性和可用性，在选型时考虑所选用技术的冗余性，出错处理和容错能力，同时所选的设备能适应井下恶

4、劣的工作环境并满足国家有关的防爆规。? 可扩展性考虑到煤矿行业井下作业的特殊性，网络系统对系统规模的扩展能力要求较高， 网络系统能随着矿井建设进程做到整体规划，分布实施，尤其是井下网络系统应在系统容量、节点规模、网络速率等方面具有较高的扩充性，可以方便地对原有网络系统 进行节点或设备本身的扩充。? 开放性网络通信系统具有开放性，符合现有相应的国际标准和协议。同时提供开放的网 络接口和数据接口，保证现有的各类产品以及未来出现的新产品能够协同运行， 方便 数据交换、信息共享。? 可维护性井下环境恶劣，为设备的维护保养带来较大困难。应提供有效的网络管理和系统 监控、调试、诊断技术，保证系统维护管理简

5、明、方便、有效。在设备发生故障时能 够方便及时的发现故障、排除故障。? 安全性网络系统应具备较高的安全性，应具有防病毒与防黑客攻击的能力。? 国家标准硬件设备选型必须符合有关国家标准和行业标准， 并通过国家技术监督局认定的 检测机构的型式检验，用于爆炸环境的设备，还必须通过国家技术监督局认定的检测 机构的防爆检验，并取得“防爆合格证”，下井设备还应取得国家安全局的“煤矿安 全标志”，要充分考虑满足防爆、防尘、抗高温潮湿和电磁干扰的要求。1.1.3 各种网络结构比较目前，在控制层应用的网络结构主要有现场总线和工业以太网。现场总线是目前过程控制层中控制网络采用的主要技术， 在过程控制层在用户有工业

6、以太网需求的早 期操作执行层（设备层）的网络主要采用现场总线，随着计算机网络技术的发展以太 网逐渐在工业以太网系统中应用。两种技术的特性比较见下表：现场总线与以太网特性比较序号特性现场总线以太网1监视与控制能力强较强2可靠性与故障容限高高3实时响应快中4信息报文长度短长5体系结构与协议复杂性低中、高6通讯功能级别中级大围7通讯速率低、中高8抗干扰能力强中现场总线是在工业现场运行的、性能可靠的、造价低廉的通讯系统，能完成现场 自动化设备之间的多点数字通讯，是目前自动化控制领域普遍采用的技术，随着用户对信息应用要求的不断提高，避免自动化系统成为“信息孤岛”，在商用计算机网络的技术、性能不能完全满足

7、工业自动化要求的情况下，系统集成商普遍采用现场总线来完成信息的集成，但现场总线的多种技术标准并存、通讯协议间兼容性差、总线速 率较低，使其在异构条件下建立应用网络比较困难。当今信息技术飞速发展，企业迫切需要生产与管理间的无缝信息集成。目前现代以太网标准，如交换、全双工传输、实时数据的优先级、带宽由10Mb/s到100Mb/s乃至1000Mb/s的升级，很好地解决了以太网存在的不确定性和实时性欠佳的问题， 使生产监控信息在以太网中实时、安全、可靠的传输成为可能。此外，以太网所采用 的IEEE802.3数据传输协议是一个开放的标准，已被自动化设备厂商和集成商广泛接 受。工业以太网有以下特点：1.

8、以太网是当今最流行应用最广泛的通讯网络，目前国际上著名的自动化产品供 应商均推出了基于工业以太网的技术和产品。2. 易于与Internet、Intranet连接，可降低系统开发难度。3以太网克服了现场总线不能与计算机网络技术同步发展的弊病。4.以太网技术的发展为通讯响应“确定性”提供了技术保障。因此，本设计采用工业以太网作为操作执行层（设备层）的网络平台。1.1.4 网络技术与产品选型根据以上多种网络结构的比较， 本方案拟采用基于以太网 TCP/IP的工业以太网 技术，传输介质采用层绞式矿用阻燃型光缆，网络结构采用基于光纤以太网的环形架构。1.1.5 (1)网络技术选型现代的大型生产监控管理系

9、统中往往使用到多家厂商提供的多种不同类型的设备，为了达到方便管理，保证系统运行稳定的目的，必须选择一个开放的通信平台， 并将各种不同类型设备的通信统一到这一标准通信平台之上。为保证良好的兼容性和可扩充性，建议使用以太网 TCP/IP技术作为整个系统的通信标准。 如有其他类型的 通信格式，如RS232, RS485或其他专用通信接口等等，均可通过协议网关转换为以 太网信息包，在IP网络上进行传送。以太网TCP/IP技术具有以下的优势：? 随着企业的发展、各种新技术的应用，可以预见，对网络的带宽要求也会越 来越高，比如基于网络的视频监控传输应用和井下设备信息数据采集等都需 要进行大量数据的传输。以

10、太网技术具有相当高的数据传输速率(目前已有成 功案例应用于井下工业环境下的以太网交换机)，能提供足够的带宽；? 能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；? 支持交互式和开放的数据存取技术；? 沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；? 允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。以太网早期存在不确定性和实时性能欠佳的问题，已通过智能交换机的使用、主动切换功能的实现、优先权的引入等，基本上得到了解决。通过提高数据传输速率， 仔细地选择网络的拓扑结构、设置服务质量(QOS )等，从而保证数据传输的准确性 和

11、实时性。因此，本方案选择工业以太网组网技术作为工业以太网控制网的技术选型。1.1.6 (2)网络冗余方式选型在工业以太网络中，由于目前的大型控制系统大多为分布式控制系统，因此，多 采用总线结构或环形结构。为了进一步提高网络的可靠性，可以采用单环或双环、双 星形、多总线网络结构实现网络冗余。几种工业以太网结构的比较：星形环形双星形双环形网络拓扑描述一个网络核心节各个网络节点串双核心、双接入每个网络节点具点下联各个分节占八、联成闭环结构节点，接入节点 分别连接到核心 节点，形成2套 网络有2套网络设 备，各个节点串 联成2套环网优点布线简单，管理 方便，直接通过 背板交换，交换 速度快。分布式网络

12、，允 许光纤出现一处 断点。发生连路 故障时，网络自动在20MS之切 换到总线。冗余网络，允许 交换机、光纤、 网线（网卡）三 种故障，直接通 过背板交换，交 换速度快。冗余网络，允许 交换机、两处光 纤、网线（网卡） 四种故障。是常 用的高级工业冗 余网络系统。缺点没有冗余，且中 央交换机分险过 于集中。属于简单冗余， 当某一交换机发 生故障时，会导 致单点网络故 障。布线复杂，所有 网络设备、网络 光（电）缆、网 卡均为双份，成 本高。冗余实际 上是通过软件编 程实现的，因此 切换时间与程序 编制有较大关 系。布线较双星形简 单，其他成本， 如网络设备、网 络光（电）缆、 网卡均为双份，

13、与双星形一样。成本低最低最高高冗余时间20ms取决于软件链路故障恢复20ms，其他故障取决于软件同采用STP（生成树）技术组环相比，由于生成树技术需要所有交换机必须根据 相应的计算方式寻找逻辑树。故采用快速生成树的计算机方式，一般需要几秒至几十 秒。同时在计算机生成树的过程各连路处于完全断开状态。MOXA的超级环网（TUBOR-Ring ）仅仅在切换中已传递的数据延迟 20ms而已,没有数据丢失的问题选择单环单节点冗余网络是基于对现场各个控制系统的了解及比较决定的。 因为 要做到比单环单节点冗余网络更加可靠的环网， 就要选择双环网结构，这样的结构要 求接入端必须是双网卡，分析后认为这样的可能性

14、不大并且浪费网络资源， 所以选择 既经济又可靠的单环结构。本方案采用地面、井下单环单节点组网方式，兼顾了可靠性与经济性。光纤环网冗余结构通过建立一个环状的光纤以太网结构来实现网络冗余， 减少网 络单点故障，增强整个通信网络在突发情况下的生存能力。光环以太网结构如下图所 示接入服务器（管控股务器I言占p丘5电I思禾|3750交换机地面井下2个百兆光口，6个百兆电口。2个百兆光口一个连如图所示：节点交换机拥有接上级交换机，一个用于连接下级交换机，构成一个完整的光纤环路。网络中某一段工作中的光纤线路被破坏或相应的网络设备发生故障时，整个网络会自愈，并在20ms恢复正常的通讯。1.1.7 （ 3）控制

15、网络中节点交换机的选型由于工业环境（如煤矿等行业）的特殊性，普通交换机在抗干扰性能、电磁兼容 性、可靠性、可用性等方面不能完全适应工业环境的要求，且不能形成高速冗余环的 连接方式，使用寿命也会大大降低。因而必须采用工业级的以太网交换机，本方案采用MOXA的工业以太网交换机系列。MOXA公司的工业以太网交换机 EDS-728、EDS-518A和EDS-408A系统产品均 为工业级以太网设备。它们采用牢靠的重负荷设计，其性能指标远远超过一般的OA网络产品，电磁兼容性、工作温度、防震等指标完全符合工业现场的高等级要求。MOXA网络产品还支持多种网络拓扑结构和多重冗余方式，如（单）环网冗余、 大全单环双节点冗余、双总线冗余、双环网冗余和环间冗余。所有冗余结构在切换时，已 传递的数据延迟小于20ms,不会造成数据丢失的问题。1.1.8 工业以太网系统网络交换机配置及节点分布（1）交换机配置每个独立环网中的网络节点配置 1