工业环网作业指导书.docx

煤矿工业以太环网平台作业指导书目 录一、前言21.1编制依据21.2适用范围2二、技术方案22.1工业以太环网概述22.2矿用工业以太网的实现KJ82 系统32.2.1系统简介32.2.2 系统组成32.2.3 关键技术32.2.4 典型应用32.2.5核心设备技术指标3三、项目实施33.1施工内容33.2施工环境要求33.3人员材料准备33.4设备安装33.4.1 光缆33.4.2 设备安装33.4.3 设备连接33.5设备调试33.5.1交换机设置33.5.2 Industrial HiVision 6.333.5.3 HiVision 3.0 - Operator Edition3四、项目工程进度3五、培训3六、验收方法及标准36.1遵循标准36.2货到现场检验36.3 系统终验3一、前言作业指导书始终遵循该系统应具备可靠性、先进性、稳定性、实用性原则，满足工程项目实施要求，使项目实施有章可循，使工作过程控制规范化，保证全过程的安全和质量。1.1编制依据1）煤矿安全规程和煤矿设计规范2）MT煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求3）爆炸性环境用防爆电气通用设备要求4）爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备要求项GB3836.4-831.2适用范围项目经理、工程实施人员，以及煤矿该系统维护人员二、技术方案2.1工业以太环网概述所谓工业以太环网，是指技术上与商用以太网(即 IEEE802.3 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和管理的局域网技术。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。 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，形同没有标准，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，而且势必是使得 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。 与包括现场总线在内的其它网络相比，以太网具有以下优点：1）应用广泛 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持 Ethernet 的应用开发，如 Java，Visual C+及 Visual Basic等。这些编程语言由于广泛使用，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发展前景。因此，如果采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。 2）成本低廉 由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持，有多种硬件产品供用户选择。而且由于应用广泛，硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有 Profibus，FF 等现场总线的十分之一，并且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。 3）通信速率高 目前以太网的通信速率为 10Mbps， 100Mbps 的快速以太网也已经广泛应用，1000Mbps 以太网技术也已成熟，10Gbps 以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快得多。另外以太网可以满足对带宽的更高要求。 4）软硬件资源丰富 由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。 5）可持续发展潜力大 由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。 6）易于与 Internet 连接，能实现办公自动化网络 与工业控制网络的信息无缝集成，由于在企业网络不同层次应用不同类型的网络，它们之间需要安装网关对数据进行转换。如今的控制网络中，以太网已经成为企业层和控制层的主要网络技术。同时，控制器、PLC 和 DCS 厂商已经开始提供以太网接口，这使得整个网络的瓶颈效应集中在应用现场院的总线上。通过以上分析可以看到，以太网在技术、速度和价格等许多方面都有着其它网络无可比拟的优势，随着以太网性能的提高和解决以太网实时性问题的技术不断推出，将以太网应用于工业现场将是工业控制领域的必然选择。 目前，工业以太网在地面上已经有实际应用。国家煤矿安全监察局有关领导在新近举行的制定煤矿安全监测监控系统安全条件研讨会上提出，使用工业 以太网作为井下的主干传输网络、现场总线作为连接传感器等现场设备的网络， 应当是近期内矿井传输网络的研究重点和建设方向。可以预见、工业以太网也将 是未来矿井宽带通信网络建设的必然选择。2.2矿用工业以太网的实现KJ82 系统 2.2.1系统简介 KJ82系统是由徐州中矿大华洋通信设备有限公司（徐州中国矿大华洋通信 设备厂）和徐州华讯科技有限公司联合研制的、使用工业以太网方案的井下宽带 数字网络系统。井下主干网络传输速率可达 100Mbps，网络智能分站与主干网的 连接为 10/100Mbps 自适应，同时，提供智能网关设备，可使井下原有的系统方便地接入主干网络，结合网络摄像仪、IP 电话或视频分配器等设备，可以将图 像、话音信号接入主干网络，在煤矿井下首次实现了开放、宽带的综合业务数字 网络平台。 2.2.2 系统组成 KJ82 系统是一个包含十多个产品的多功能系统和网络平台，主要的产品有： KJJ23 隔爆型工业以太网交换机、KJF36 本安型网络智能分站、KJF42 本安型多功能监控分站、KJF37 本安型网络视频服务器、KJU6 本安型画面分割器、KBA5 本安型网络摄像仪、KBA6 矿用本安型光纤摄像仪、KTG5 矿用本安型光端机、 KDW32 隔爆兼本安型电源箱、KDW33 隔爆兼本安型不间断电源箱。 产品设计参照煤矿电气安全和煤矿安全规程的要求，大多为自主研发，包含多项专有技术和技术专利。目前，所有产品均已通过了煤矿安全防爆审查，取得了防爆合格证书。另有本安型 IP 电话、CAN 总线网关等新产品还在后 续研发中。 2.2.3 关键技术 KJ82 系统采用了最新的工业以太网技术，支持环型冗余，链路聚集，能最 大限度地保证煤矿井下数据信息传输的可靠性和实时性。 2.2.3.1 工业以太网技术 普通商用以太网不能保证网络的冗余性、可靠性和实时性，为使以太网能够成功应用在工业控制领域，许多研发机构和厂商相继推出了以太网的环冗余和链路聚合等技术。 1）工业以太网环冗余技术 由于很多场合环境恶劣，存在网络意外断裂的可能较大，而另一方面，出于生产和安全的需要，对网络的可靠性要求又很高，所以需要信息传输网络能够 提供链路冗余。环型以太网结构的出现在很大程度上解决了以太网的容错问题， 提高了以太网的可靠性。环型网络构造了一个简单环，从而保证了在某条链路意外损坏时数据仍然可以通过备用链路传输，双环冗余型结构的以太网更是可以保证在两条链路同时损坏或者某个网络交换机损坏的情况下，网络仍然能够正常工作。在交换式以太网中，冗余的管理能够实现很高的网络可用性，交换式高速以太网启用环冗余的时间少于300ms，也就是说，一条链路出错后，网络可以在300ms 时间以内重新可用。 2）链路聚合技术 链路技术可以在不改变现有网络设备以及原有布线的条件下，使用专用的软件或软硬件结合的产品，把多条交换机到服务器或交换机到交换机的数据通道捆绑起来，形成一条逻辑上的高带宽数据链路，满足高带宽应用的需要，同时还可以增加网络的负载均衡能力以及容错性，极大地提高整个系统的性能。当聚合链路中一条或几条（不是全部）意外损坏时，数据仍然可以通过剩余的物理链路传输。 KJ82 系统的主干网设备隔爆型网络交换机即采用了这两项先进的网络技术，保证为我们的用户提供最大的传输可靠性。2.2.3.2 嵌入式系统技术 嵌入式系统是能够完成一种或多种特定功能的计算机系统，是软硬件的紧密结合体。具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的应用环境。其最大的特点是其目的性或针对性很强，每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区别。另外，嵌入式技术与实时性有着天然的联系。由于嵌入式系统是为特定的目的而设计，且常常受到空间、成本、存储、带宽等的限制，因此它必须最大限度地在硬件和软件上量身定做以提高效率，这样的结果最终导致了实时性的增强。 在网络通信设备和工业控制领域，嵌入式系统发挥了重要的作用，目前主要应用在路由器和交换机上。从根本上说，在网络通信设备中，只要用到了 CPU，那么在其上一定要运行一个完成特定功能的操作系统，也就是嵌入式系统，所以嵌入式系统和网络通信设备是不可分割的。 实时多任务操作系统（RTOS）是嵌入式应用软件的基础和开发平台，它嵌 入在目标代码中，在系统复位后首先执行，负责在硬件基础之上，为应用软件建立一个功能更为强大的运行环境，用户的其它应用程序都建立在 RTOS 之上。实时操作系统主要任务是对事件的进行实时的处理，虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件上必须在时间发生时能够在严格的时限之内作出相应，即使在尖峰负荷下也应如此。另外，实时操作系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行情况的最好和最坏等情况作出精确的估计。RTOS 是计算机专家们多年潜心研究的结果，使用 RTOS 不仅增加了嵌入式应用系统的可靠性，而且应用程序的调试也会方便许多。 煤矿安全生产中一个关键的因素就是保证监测信息和控制信息的实时传递， 因而我们在产品设计时选择具有高实时性保证的嵌入式操作系统和嵌入式处理器芯片，即使在网络需要传输图像、话音等大数据量的信号时，也能保证控制信号等重要信息的实时性。结合嵌入式 Web Server 技术，可以通过浏览器界面方便地对系统设备进行管理和控制。 2.2.4 典型应用 KJ82 系统提供了星型、环型、双环冗余型等多种组网方式，用户可以根据 矿井规模、对可靠性的需要选择不同的关键设备和组网方式。 2.2.4.1 星型结构网络 星型结构网络是商用以太网最为常用、也是最简单的一种组网方式，网络结 构如下图所示。这种网络的优点是结构清晰，布线简单，节省线路，成本也最低。但缺点是没有冗余链路，如果交换机 1 与交换机 2 之间的链路意外损坏，将导致交换机 2 所连接的所有网络设备（包括它的下级交换机）不能向地面传送数据。解决的办法是，可以在两台交换机之间预留一条备用链路，在原链路损坏后，由人工更换备用链路，但是确定故障和更换线路需要较长的时间。 主要网络性能参数： 1）主干网传输速率 100Mbps； 2）传输介质可以是单模光纤（传输距离 30km）、或者矿用阻燃双绞线（传 输距离 100m）； 3）支持基于 Web 的网络管理系统（可选），可以通过浏览器对交换机进行 管理和控制； 4）每台交换机支持 8 个以太网接口，可以选择为电接口、光接口或两者的 任意组合； 5）支持全双工/半双工运转图1 矿井星型工业以太网2.2.4.2环型结构网络环网工业以太网的网络结构如下图所示。使用环型结构的优点是可以提供链路冗余，当某条正在工作的链路意外损坏时，可以在300ms快速切换到冗余链路，组网也较为简单，价格适中。主要网络性能参数： 1）主干网传输速率 100Mbps； 2）传输介质可以是单模光纤（传输距离 30km）、或者矿用阻燃双绞线（传 输距离 100m）； 3）支持基于 Web 的网络管理系统（可选），可以通过浏览器对交换机进行 管理和控制； 4）每台交换机支持 8 个以太网接口，可以选择为电接口、光接口或两者的 任意组合； 5）支持全双工/半双工运转6）支持单冗余链路，最大网络重构自愈时间小于 300ms图2：矿井环网工业以太网 2.2.4.3双环冗余型结构网络 环型工业以太网的网络结构如下图所示。 其优点是可以提供多条链路冗余和备用设备，图 3 所示的网络中，隔爆交换机 4、隔爆交换机 5 和隔爆交换机 6 都是热备用设备，它们之间的链路（内环）也全部是冗余链路，当外环某条或多条正在工作的链路意外损坏、甚至多个工业以太网交换机设备损坏时，可以在300ms 内快速切换到冗余链路和备用交换机，组网较为复杂，由于需要备用设备，价格较高。 主要网络性能参数： 1）网传输速率 100Mbps； 2）传输介质可以是单模光纤（传输距离 30km）、或者矿用阻燃五类线（传 输距离 100m）； 3）支持基于 Web 的网络管理系统（可选），可以通过浏览器对交换机进行 管理和控制； 4）每台交换机支持 8 个以太网接口，可以选择为电接口、光接口或两者的 任意组合； 5）支持全双工/半双工运转； 6）支持双冗余链路； 7）网络中有半数的交换机为热备份，可在需要时快速投入使用； 8）链路或设备故障后，最大网络重构自愈时间小于 300ms；图3矿井双网冗余型工业以太网 2.2.5核心设备技术指标 KJ82 系统由十个主要产品组成，下面详细介绍关键产品的主要性能和技术参数。 2.2.5.1 KJJ23 隔爆型网络交换机 KJJ23 隔爆型网络交换机是符合工业以太网标准的井下网络交换机，是构建矿井工业以太网网络的关键设备。主要的技术参数如下： 2.2.5.1.1 环境条件 交换机在下列环境条件下应能正常工作： 气压：80-106Kpa ； 环境温度：-35-+70； 相对湿度：不大于 95%（+25）； 无显著振动和冲击的场合； 煤矿井下有爆炸性混合物，但无破坏绝缘的腐蚀性气体的场合。 2.2.5.1.2 主要技术参数 1）电参数 使用 TCP/IP 协议； 传输介质：单模光纤、矿用阻燃五类线； 传输速率： 100Mbps； 传输距离：单模光纤30Km，矿用阻燃五类线100m； 误码率： 10-9 ； 2）电源 地面：DC24V； 井下：AC127V/660V井下电压波动范围：75%120%； 具有过压、过流保护措施。 3）电池参数 电池电压：DC24V； 电池容量：4.5AH； 电池放电截止电压：20V； 电池最大放电时间：1.5 小时； 电池切换时间：0.5s。 4）防爆型式： 隔爆型 标志Exd I 5）特性 可以组成百兆自愈环网，提高网络可靠性 与 IEEE 802.3u Fast Ethernet 标准兼容 可靠的存储 转发体系结构 包含 2 个用于组成自愈环网的 100M 光接口，其它 6 个端口可选为光接口或电接口 自协商功能可以实现自动传输方式调整（全双工或半双工）和传输速率 调整（10Mbps 或 100Mbps） 设备之间可以通过级联进行扩展 每个端口都支持双向的地址学习功能 帧过滤和转发比率为：10Mbps 端口每秒 14,880 包（64 字节短帧）； 100Mbps 端口每秒 148,810 包（64 字节短帧） 支持大于 1K 的地址空间 2.2.5.2 KJF36 本安型网络智能分站 KJF36 本安型网络智能分站是一种新型的井下环境监测监控装置，产品为 本质安全型产品，具有甲烷、风速、压差、CO、温度等模拟量检测，馈电状态、设备开停，风筒、烟雾等开关量监测和累计量监测功能及风、瓦斯、电闭锁功能。分站与地面主站使用 TCP/IP 协议进行通信，解决了以往监控系统中通信协议难以统一的问题，还可做为煤矿现有的各种监测监控系统的接入网关。主要 技术参数如下： 2.3.2.1 使用环境 环境温度：-10-+40； 相对湿度：95%（+25）； 气压：80 Kpa -106Kpa； 煤矿井下有瓦斯，煤尘等爆炸危险的环境,但无破坏绝缘的腐蚀性气体 场合； 有溅水或淋水的场所； 无显著振动和冲击的场所。 2.3.2.2 电气性能 1）电参数 用 TCP/IP 协议方式传输 传输介质：单模/多模光纤或 4 芯阻燃双绞线 传输速率：10100Mbps 传输距离：40Km 光波长： 1.3mm 阻燃双绞线：不大于 50m 输出光功率 ： 10mW 误码率： 10-9 检周期：1 秒2）传感信号输入 8 路模拟量信号输入（每路可单独设置输入信号类型） 01V/05V 2001000Hz 电压信号； 频率信号； 05mA/420mA 电流信号 16 路开关量信号输入（每路可单独设置输入信号类型） 触点信号 05mA/15mA 电流信号 8 路开关量输出 (继电器输出) 通断电能力为：DC24V/1A 或者 AC36/2A 或者 AC127V/1A） 1 路光信号输入输出(可选) 1 路网络信号输入输出 2 路总线信号输入输出（RS232、RS485、CAN 可选）路开关量输出信号：开 关量输出为继电器输出 36V DC（最大）。 3）电源 DC12V10%（本安电源）； 工作电流：1000mA。 4） 防爆型式： Exib I 本质安全型 三、项目实施3.1施工内容其中主要包括：施工方案确定前的施工现场考察，施工方案的评审、确定。光纤的铺设、系统设备的安装、调试。与用户原有系统的连接；与用户原有计算机应用系统的接口连接；与服务器等网络设备的连接以及网络安全措施；各种扩展设备的安装和整体调试等。 3.2施工环境要求为保证项目实施过程的顺利进行，保护系统设备的正常工作。各系统设备的安装现场须满足以下环境条件： 安装位置： 按照说明书的要求及相关规范。 工作环境： 温度 0 - +40；湿度 95%（相对，非压缩） 井下有爆炸性混合物，但无破坏绝缘的腐蚀性气体及无溅水的场合。 供电电源： 地面提供交流 220V 15%，50HZ，容量不小于 1.5KVA。 井下提供交流 127V 75%-110%，50HZ，每处容量不小于 0.3KVA。 应用系统： 各矿的原有系统已安装到位并运行正常。 其他说明： 甲方负责提供工程设备安装所需的场所，据合同实际情况。甲方负责按照协定的方案进行供电、光缆及电缆的敷设安装，据合同实际情况。甲方负责提供充足的标准电源、UPS 电源，据合同实际情况。甲方提供地面以太网的网络环境，据合同实际情况。所有的客户端计算机由甲方提供，据合同实际情况。3.3人员材料准备将为项目成立专门的项目工程组，项目经理1名，由不少于 2 名有经验的项目工程师参加。项目工程组负责整个项目的具体实施。准备以下工具：光纤焊接机、光功率计、网络压线钳、网络测试仪、万 用表、各种扳手、螺丝刀、斜口钳、尖嘴钳、老虎钳、手提电脑，其它的一些小 工具如胶带、刀片等。3.4设备安装3.4.1 光缆 井下光缆应选用符合国家标准的矿用阻燃光缆，可根据实际需要选择单模光缆或多模光缆。一般情况下，多模光缆的传输距离小于 2Km，单模光缆的传输距离为 15-20Km。光缆的芯数要考虑冗余及将来扩展的需要。 3.4.2 设备安装 安装设备之前，应当做好以下一些工作： 1）据现场情况选定每个设备安装的具体位置； 2）详细阅读每个设备的使用说明书，并按照要求做下井前的测试； 3）用光功率计测试井上、井下光纤通道，确保焊接良好； 4）井下设备的安装应严格按照说明书的要求及相关规范来进行。将设备运送到安装地点，依照各个设备使用说明书中的安装说明来安装和接线。 3.4.3 设备连接 设备之间的连接按照以下步骤执行：（以下把分站、视频服务器等统称为网络设备） 1）接地面光缆到光纤收发器，然后再连接到计算机或交换机； 2）连接和地面光缆连接的尾纤到交换机内指定光纤收发器，这时应看到光 纤收发器对应光口指示灯点亮，否则请检查地面的连接是否正常；然后看相应光 纤收发器的网络指示灯是否正常； 3）网络设备与交换机之间可以通过光纤连接，无论光接口或电接口，都有相应的指示灯，连接后可对应使用说明书描述的指示灯状态，如果有问题，可以 对应使用说明书的说明进行排查。如果以上连接正常，指示灯指示的状态正确，那么就可以把各个设备的拧上盖子的螺丝，固定好。 主要设备连接示意图如下图所示： 3.5设备调试 设备安装完毕后，即可以通电测试，测试时根据各个设备使用说明书的步骤和说明进行。 如果网络连接不正常，那么就要重新检查线路或其对应的网络设备。一般情况，则有两个最可能的原因，一是网络线路断开，另一个是连接的网络设备出现了故障。 当所有测试完成，并且相应的 IP 地址也更改完成之后，可以在地面的主站或是中心站上要安装正式的主站软件，并作相应的设置。主站软件的安装和设置将会作专门的培训。 3.5.1交换机设置1、交换机软件总共有三套，HiDiscovery 1.1、Industrial HiVision 6.3、HiVision 3.0 - Operator Edition。三套软件同时运行，HiDiscovery 1.1主要是搜寻网络中的交换机显示其MAC地址、IP地址、当前状态等，当我们需要修改交换机的IP地址、子网掩码时双击需要修改的交换机，显示修改对话框，修改完成后点击Set As Default完成设置。并且在IE浏览器中输入所设置的IP进入WEB界面选择Load/Save项点击Save configuration保存设置到交换机中。3.5.2 Industrial HiVision 6.3Industrial HiVision 6.3主要是对交换机的集中管理，划分VLAN功能。首先需要将所有交换机端口信息导入，设置交换机之间连接的光纤接口为UPLINK（级联端口）端口；其次新建VLAN，设置VLAN名称，将规划好的端口划入VLAn。VLAN划分完毕后，进入交叉VLAN划分界面，将规划好的端口同时划入两个或几个不同的VLAn。再次，保存划分好的VLAN文件，将VLAN信息下方到交换机。最后，保存VLAN信息至交换机内存。导入交换机端口信息选择UPLINK端口划分UPLINK端口新建VLAN定义VLAN名称选择将要划入该的端口进入交叉划分界面将规划好的端口划入两个不同保存划分文件至本机3.5.3 HiVision 3.0 - Operator EditionHiVision 3.0 - Operator Edition主要是显示整个网络的拓扑结构图，对事件的报警显示，首先要设置搜索IP的范围，在启动软件后选择编辑状态下，点击配置菜单选择扫描范围，弹出对话框，点击“新建”出现输入搜寻IP范围对话框，填入所要搜寻IP 地址范围，搜寻完之后，在编辑状态下点击鼠标右键出现下拉菜单，选择自动生成网络拓扑图。当网络出现状态改变时要确定一