工业以太环网系统设计方案

工业以太环网系统设计方案内容摘要：

媒体业务需求的数据交换网络，建立满足矿区生产、生活的图像业务网络，为矿区的安全生产提供可靠有效的通信保证。 综合自动化网络平台是矿区综合自动化的业务主要承载平台，网络平台的规划、建设决定了网络的运行质量和发展，是综合自动化的重要组成部分。 综合自动化网络平台建设设计过程中着重考虑以下几点要求： 实用性：从实际应用角度出发，力求简单实用。 系统应能够满足煤矿综合信息网络系统 5~10 年发展的要求，并具备良好的扩展性。  安全性：包括企业网络系统安全、数据资料的完整性安全和网络安全，系统要具有抗侵入、容错和容灾的能力。  先进性：超前性和先进性是每一个企业信息网建设期望达到的目标，但是随着计算机及网络技术的发展，先进的、新的网络技术面临着技术和产品上不十分成熟的问题，而原有的成熟的网络技术和产品又势必被新技术所取代。  开放性：选用开放的硬件和软件平台，支持多种主机互连，系统互连全部采用国际标准的网络层通讯协议 TCP/IP，设计选型主机系统的生产厂商满足产品遵循 TCP/IP 标准，方便地实现多种主机的互连。  可扩充性：要拥有简单易行的扩充升级能力，满足未来的应用扩展的需要。  投资保护：在保证系统能够安全、可靠运行的前提下，最大限度地降低系统造价，保护原有的计算机设备投资。 考虑用户未来业务发展的需要，结合业务拓宽的需求，预留了与其它应用系统的接口，解决了网络平台实现语音、调度、数据、视频、监测监控等多业务网网络合一问题。 矿井综合自动化网络的现状与发展目前的工业控制领域有两种较为流行的技术方案，一个是现场总线技术，另一个就是工业以太网技术。 计算机网络技术的飞速发展，带动了工业控制系统技术水平的快速提高，工业以太网（Ether）技术将取代传统的分散控制系统（DCS ）中通信网络的各种专利协议，现场总线技术则给测控领域带来了一场革命，使过程控制领域的自动化装置由 DCS 向 FCS（现场总线控制系统）过度。 工业以太网（Ether）和现场总线技术给煤矿监测监视监控技术的跳跃或发展带来了极好的机遇，也为矿井多媒体综合业务数字网络系统项目开发成功提供了技术基础。 所谓工业以太网，是指技术上与商用以太网(即 标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能满足工业现场的需要。 简言之，工业以太网是将以太网应用于工业控制的局域网技术。 煤矿用现场总线目前国内较为典型的矿用综合自动化网络控制系统的典型应用有：神东公司大柳塔煤矿综合自动化系统，兖矿集团济三煤矿及晋城矿务局寺河煤矿的美国霍尼威尔（Honeywell ）公司 HIMASS 系统，以上三套装备均采用的是矿用现场总线结构。 现场总线技术及其协议标准开发现场总线最初的目的是用数字仪表内部具有的数字信号替代4～20mA 等模拟信号，实现控制室与现场之间的信息传输。 现场总线应用以后，人们得到了更多的好处，例如控制功能彻底分散到现场，先进的现场设备管理功能得以实现，系统的可靠性大大提高等等。 目前现场总线已广泛用于过程控制、制造业及其它测控领域，如电力监控、楼宇自动化、环境监控、交通工具、能源管理、自动测试系统、医疗仪器、机器人及其它各种自动化领域。 自 20 世纪 80 年代中期开始，世界上各大控制厂商及标准化组织推出了多种互不兼容的现场总线协议标准。 从 1984 年起由 IEC（国际电工委员会）和 ISA（原美国仪表学会）开始了制订国际标准的工作，由于受到大控制厂商相互竞争的影响，国际标准的制订困难重重，商业集团为了自身的利益给国际标准的投票通过制造阻力，使得国际标准迟迟不能完成。 最终不得已在 1999 年 12 月通过了一个包含多种互不兼容的协议的标准，即 IEC61158 国际标准。 该标准包括了目前国际上 8 类主要的现场总线协议。 他们从 Type1～Type8 分别是：IEC61158 技术规范（即 IEC/ISA SP50，曾试图使之成为统一的国际标准的一个技术规范） ；Control Net 现场总线；Profibus 现场总线；PNet 现场总线；FF HSE（ High Speed Ether，高速以太网） ；Swift Net 现场总线；WorldFIP 现场总线；Interbus 现场总线，此外，还有德国 Bosch 公司推出的 CAN（控制器局域网）现场总线和由美国 Echelon 公司推出的 Lon Works 现场总线，在许多行业获得了广泛应用。 矿井对现场总线标准的基本要求 根据矿井的要求进行适当扩充后用于煤矿则使完全可行的，鉴于矿井的特殊条件，对井下现场总线有一些基本要求；（1）网络结构。 井下网络以两级较为合适，即一级高速主干网下接一级低速（设备级）现场总线网，甲烷超限报警断电等紧急操作应能由设备级现场自主操作，主干网采用光纤或同轴电缆作媒体，应能同时传输多媒体信息，考虑到矿井的特点，网络拓扑以总线型为宜，加上分支器可构成树型。 （2）传输距离。 根据矿井巷道要求，主干网传输距离应大于 10km，设备级现场总线的传输距离能达 12km，考虑到对于监控规模较小的矿井应能省去主干网而仅用一级低速现场总线，其传输距离则也应达 10km 以上。 （3）响应时间。 对安全监控，考虑到瓦斯突出矿井的要求，响应时间应在 1S 以下，对生产监控应在数十毫秒数量级，响应时间与通信速率有关，但不是反比关系，这是因协议复杂的总线通信效率低造成的。 （4）本安特性与供电。 设备级总线应能满足本质安全要求或经简单的安装能满足本质安全要求，低速总线应能给被连接的现场设备直接供电或共缆供电，因此矿井低速现场总线的传输媒体一般不宜采用光纤。 （5）抗干扰能力和对恶劣环境的适应能力。 矿井的电磁干扰较强，温湿度环境差，因总线距离长，加于收发器上的共模电压较高，现场总线设备应能满足要求。 （6）硬件软件支持和开发难度。 选用的标准应有完善的硬软件支持，有开发工具，开发容易。 井下设备级现场总线协议标准的选择现场总线协议的 OSI（开放系统互连）模型一般层次较少，通常由OSI 七层模型（ISO 7498）的物理层、数据链路层和应用层 3 层或再加上用户层 4 层组成，也有层次较多的，如 PNet 和 Lon Works，一种现场总线可以有不同的物理层或应用层，网络传输性能主要取决于它的物理层和数据链路层，在研究、选择、制订矿用现场总线标准时，可以选择、组合几种不同的现场总线技术。 结论现场总线是现今使用最广泛的工业控制技术，但现场总线最大的问题是标准太多，煤矿需要的是建立统一、开放的网络，各个不同公司的监测监控设备均能够挂接在这个网络上传输，显然，如果使用现场总线，用作连接传感器的设备级网络还可以胜任，但作为井下数据传输的主干网络，则无论在传输速率上、传输距离和链路冗余等方面都不能满足我们的需要，而且势必使得井下传输网络由一个互不兼容的多系统结构过渡到另一个互不兼容的多系统结构，这显然不符合煤矿建设现代化矿井、实现综合自动化的需要。 工业以太网技术在 OSI/ISO 七层协议中，以太网本身只定义了物理层和数据链路层，作为一套完整的网络传输协议，必须具有高层控制协议，以太网使用了TCP/IP 协议；IP（inter protocol）用来确定信息传递路线，而TCP（ transmission control protocol）则是用来保证传输的可靠性，虽然TCP/IP 并不是专为以太网而设计的，但实际上它们现在已经是不可分离的了。 IP 技术是 Inter 的基础，它相当于地址门牌号，被许多传输协议所应用，如 IEEE1394，ATM（asynchronous transfer mode） ，TCP， UDP(the user datagram protocol)等等。 它还可以适用于其它的通信标准，如 FTP（file transfer protocol）和 SMTP(simple mail transfer protocol)等。 IP 为每个数据包提供独立寻址的能力，但不能保证每个数据包都能正确地到达目的地，网络阻塞和传输错误都可能使数据包丢失。 而TCP 就是解决这一问题的，它在两点之间建立一条可靠的连接通道，保证数据流的正确传递。 随着 Inter 的迅猛发展，以太网已成为事实上的工业标准，TCP/IP 简单实用，为广大用户所接受。 目前不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的管理网络也都广泛使用以太网。 在现场总线协议中，为提高传输效率，一般只定义七层协议中的物理层、数据链路层和应用层。 为与以太网融合，通常在数据包前加入IP 地址，并通过 TCP 来进行数据传递。 具体结构如下图所示。