工业以太环网系统设计方案

1、煤矿工业以太环网系统设计方案中国矿业大学信息与电气工程学院中国矿业大学信息与电气工程学院徐州珂尔玛科技有限公司徐州珂尔玛科技有限公司20222022 年年 3 3 月月 1111 日日目目 录录1 总述总述.31.1 指导思想.51.2 设计原则.51.3 设计依据.62 工业以太网工业以太网.73 煤矿以太网络平台煤矿以太网络平台.103.1 概况.103.2 矿井综合自动化网络的现状与发展.113.2.1 煤矿用现场总线.113.2.2 工业以太网技术.143.2.3 以太网在工业控制领域应用的发展趋势.153.2.4 当前工业以太网的发展.183.2.5 工业以太网是矿井综合自动化系统网

2、络平台的最佳选择.193.3 煤矿矿井工业以太环网建设方案.213.3.1 系统构架.213.3.2 关键技术.223.3.3 网络拓扑结构.243.3.4 核心设备技术选型.263.3.5 主要网络性能指标.263.3.6 系统特点.271 总述总述能源是国民经济的基础，我国一次性能源 70%以上来自于煤炭，95%以上的煤炭产量来自于井工开采矿井，井工开采矿井平均深度 500 米左右，煤矿井下采、掘工作面地质条件复杂，环境恶劣，自然灾害多，严重影响煤矿生产和人身安全。对煤矿生产中的各个生产与保障环节的主要参数进行各种各样的监测与控制是煤矿正常、安全生产的重要保障。在我国，传统的监测监控系统主

3、要有 KJ4 系统、KJ90 系统、KJ95 系统等，这些监测监控系统基本上都采用集散系统结构，一般由现场测控分站和控制中心主站组成。虽然这些监测监控系统在我国煤炭安全监测监控领域曾经发挥了巨大作用，但随着煤矿生产的发展，这些系统固有的缺陷已严重制约了煤矿生产的发展，这些缺陷主要表现在以下两个方面：1）缺乏统一的通信协议标准和网络结构，国内生产的安全生产监测监控系统多为封闭系统，系统中使用的通信协议和信息交换标准都是由厂商自己制定的，严格保密，互不兼容，与其它系统联网很困难，难以做到数据共享。网络结构和通信模式多样，极不规范。每种系统都需要建立自己的通信网络，造成重复投资，通信资源利用低下。2

4、） 传输速率低，一般监测系统的网络传输速率都在 4800bps 以下，不仅不能用于传输多路信息，甚至原有系统的扩容也很难实现。较为先进的综合自动化系统，其井下的设备层速率也仅仅为 125kbps。这样的传输网络不能同时传输图像和话音信号，也无法形成一个真正的通信网络平台。建设高产高效现代化矿井是当今世界煤炭生产发展的主流，并以一矿一面或一矿两面的生产模式实现高产高效。我国要建设 100 对高产高效矿井，20 对特级高产高效矿井，走集约化生产道路，在效率、单产、技术水平、科学管理、安全生产、经营调度等方面赶上世界先进水平，以先进的网络技术、多媒体技术、数字视频技术、通讯技术、软件技术等采集、处理

5、生产、安全、经营等信息。国家经贸委提出，用信息化改造包括煤炭在内的 18 个传统行业是我国信息化的重点。而煤炭行业正是最具传统色彩的行业之一。煤炭行业的信息化改造就是用信息技术改造煤炭行业的生产、经营模式，实现从矿山勘探、矿山规划设计、矿山开拓建设、煤矿生产过程、矿山经营决策的数字化、信息化。即以下六个方面：1）矿产资源信息和矿山设计、矿井建设及开采过程的数字化、可视化。2）煤矿生产过程监控、全矿井生产安全环境监测、生产过程信息综合利用等方面的网络化、自动化和智能化。3）各种检测仪器仪表、自动化设备在恶劣生产环境中的创新应用与网络化监测与控制。4）煤炭企业办公自动化及电子商务系统。5）基于信息

6、融合技术渗透到生产与经营各个层面的决策支持系统。6）矿区信息网络系统建设要实现这些目标，必须改造传统单一功能的生产、安全调度指挥系统，建立一个数字化的网络信息平台，实现全矿井乃至全矿区的信息化。煤矿急需要新的网络技术，以带动全矿综合自动化程度的提高，促进煤矿生产向高产高效方向发展。在新一代煤矿井下监测监控系统和网络通信系统研究领域，使用工业以太网构建矿井宽带多媒体综合业务数字网，对工业以太网在煤矿井下应用的可行性、可靠性等方面进行了详细的理论分析和证明，通过了煤矿安全防爆认证和工业性现场试验测试，取得了极高的评价。1.11.1指导思想指导思想统筹规划，统一组织，分步实施，急用先建，突出重点，慎

7、重投入。充分利用和依靠现有设备、人员和工作基础，满足实际需求，兼顾长远发展，充分合理利用各种资源是综合自动化建设的指导思想。力求使矿井各类信息集成为实现异构条件下的信息联通与共享，功能集成为不同应用系统联动、协调有序运行，避免各自孤立的监控系统不能使信息资源和设备资源得以充分发挥的弊端。使矿井生产安全可靠，有效地预防和及时处理各种突发事故和自然灾害；实现全矿井数据采集、生产调度、经营管理、决策指挥的网络化、信息化、科学化。统一标准和规范。确保指标体系、信息标准、业务流程、系统设备配置、系统软件、通信技术等基本采用统一的标准和规范。采用先进而成熟的实用技术，保证系统的安全性和可靠性。365 天，

8、每天 24 小时正常运行，保证各系统的保密性和安全性。遵循人员培训先行、软件开发先行、设备适时到位，重在应用的原则。1.2设计原则设计原则设计总方针是立足信息化大前提，保证系统的先进性、安全性、可靠性，安装、使用和维护方便简单。（1）遵循“高起点、高技术、高质量、高效率、高效益”五高原则，力争达到国际先进、国内领先水平，建成煤炭行业企业信息化示范工程；（2）与时俱进、注重实效、全面规划、分步实施、填平补齐、重点突出。适应煤矿的信息化工作发展需要，既具有先进性，又可靠实用；（3）按照跨越式发展的技术方法，使技术经济指标最优，投入产出比最大。充分利用煤矿现有的资源，少花钱、多办事；（4）采用的技术

9、和设备安全可靠、先进实用、系统开放、易于升级，易于扩展；（5）采用现行的国家标准，符合煤炭行业信息化建设总体规划纲要；（6）本着保护用户投资，最大限度地利用用户已成功使用的系统结构，确保不影响这些系统的正常运行；（7）系统建设基于煤矿计算机网络和通信网络，基于 Web、B/S 结构，能够与现有综合信息查询软件集成，能够非常方便实现信息联网。1.31.3设计依据设计依据 关于促进煤炭工业信息化建设的建议 煤矿安全规程 （2006） 智能调度室装备规范 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GB3836.4-2000 爆炸性环境用防爆电气设备通用要求GB3836.1-2000 矿用一

10、般型电气设备GB12173-90 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求MT209-90 工业电视系统工程设计规范GBJ115-87 企业供配电系统节能监测方法GB/T16664-1996 通用用电设备配电设计规范GB50055-93 矿山电力设计规范GB50070-94 划设计目标 煤炭工业矿井设计规范GB 502152005 煤炭洗选工程设计规范 GB 503592005 煤矿安全装备基本要求 煤炭工业调度信息化建设总体规划纲要 （试行） 煤炭调度信息化装备技术规范 （试行） 计算机软件开发规范GB 8566 电子计算机房设计规范 电子计算机场地通用规范GB/T 28872000

11、煤炭工业信息化“十一五”发展规划 MT/T1006-2006 矿用信号转换器 MT/T1007-2006 矿用信息传输接口 GB-T15972.15-1998 光纤总规范2 工业以太网工业以太网所谓工业以太网，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

12、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

13、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 以太网技术也逐渐成熟，10Gbps

14、 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

15、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，传统的工业控制网络体系结构如图 3 所示，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总线的设备层上。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

16、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。3 煤矿以太网络平台煤矿以太网络平台3.1 概概况况综合自动化网络平台主要作用是为矿区提供一个安全可靠、容量大、功能强、便于维护、稳定可靠的传输网，以保证各种业务的稳定传输；包括建立满足矿区数据及流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

17、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：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 510 年发展的要求，并具备良好的扩展性。 安全性：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：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

18、新技术所取代。 开放性：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：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：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。3.2 矿井综合自动化网络的矿井综合自动化网

19、络的现状与发展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（Ethernet）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（Ethernet）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 IEEE80

20、2.3 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的局域网技术。.1 煤矿用现场总线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。1 1、现场总线技术及其协议标准、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420mA 等模拟信号，实现控制室与现场之间

21、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

22、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 Type1Type8 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；P-Net 现场总线；FF HSE（High Speed Ethernet，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 Bo

23、sch 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。2 2、矿井对现场总线标准的基本要求、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

24、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 1-2km，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

25、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。3 3、井下设备级现场总线协议标准的选择、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 P-Net 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

26、线标准时，可以选择、组合几种不同的现场总线技术。4 4、结论、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。.2 工业以太网工业以太网技术技术在 OSI/ISO 七层协议

27、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（internet 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 Internet 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 protoco

28、l)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 Internet 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

29、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。.3 以太网在工业控制领域应用的发展趋势以太网在工业控制领域应用的发展趋势一般来说，现场总线标准的通信协议比较简单，通信速率比较低。如基金会总线 FF 的 HI 和 PROFIBUS-PA 的传输速率只有 31.25Kbps。但随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据也必将趋于复杂，未来传输的数据可能已不满足几个字节，甚至是 WEB 网页，所以网络传输的高速性在工业控制中越来越重要。随着智能传感器和各种设备的应用和工业管理自动化的深入，在未

30、来几年里，估计信息量还要再增加 10-30 倍。管理者希望得到更多的实时信息，比如生产系统、资源规划系统、出勤记录、劳动报告、物资跟踪、维修管理系统、质量信息系统、决策支持系统和产品数据等。管理者不希望只能在一段时间后，才得到汇总信息。以太网以其廉价高速方便的特性获得更多青睐。 另一重要原因时以太网已经在局域网和 Internet 上取得成功，而工业底层网络的现场总线协议则数目众多，不同协议的兼容问题一直困扰工业界。底层网络引入以太网不仅使现场层、控制层和管理层在垂直层面方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本。所以以太网向控制系统的底层延伸是顺理成章的。 10 多年前，人们还一直

31、认为以太网是为办公自动化设计的，并没考虑工业要求，比如缺乏确定性（determinism） 、鲁棒性（robustness） ，在车间底层网中应用是脆弱的，存在不可预见性。这种是由以太网协议本身造成的。网络每个节点通过竞争来取得信息包的发送权。节点通过监听信道，当发现信道空闲时，再发送信息，如果信道忙碌则需要等待。在开始发送信息后，需要检查是否发生碰撞，发送信息发生碰撞时，退出重发。这样如果网络比较忙碌，或冲突节点相距甚远时，就可能发生某些节点的信息不能及时发送，甚至长时间发不出去的情况，这在工业控制中是大忌。今天，这种局面已经得到根本的改观。 “工业控制中的每一块领域，从嵌入式系统到现场总线

32、，都意识到以太网和 TCP/IP 的重要意义” 。在过去几年中，以太网标准有了许多进步，特别是在确定性，速度和信息优先级方面。首先以太网的通信速率一再提高，从十兆到百兆，目前千兆以太网已在局域网、城域网中普遍应用，万兆以太网也正加紧研制，同样的通信量，通信速率的提高意味着网络的负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着提高确定性。有人作过试验表明，在网络负荷不超过 36%的情况下，以太网发生碰撞的可能性极小。其次交换技术的快速发展已经消除了以太网应用于控制领域的障碍。交换式以太网技术产生于 1992 年。这项技术使得多个网上设备之间同时进行通信时不会有冲突发生。其做法是把网络用交换器分割成互不相连的几

33、个网段，每个设备独占一个网段，从而大大降低冲突的可能性。其系统结构如图 3-2 所示。以太网不仅能建立一个高效开放有确定性的现场总线系统，而且由于它已经在局域网上广泛应用，所以它在控制层的应用可以使“从会议室到传感器”都集成起来。现在还可以利用交换技术将通信变为全双工。这些都使以太网进入工业控制领域铺平了道路。全双工交换式以太网是确定性的。应用交换器可以消除冲突，而且现在它的价格也越来越便宜。.4 当前工业以太网的发展当前工业以太网的发展以太网描述了物理层的数据链路层，并已成为 Internet 的协议。所以，许多现场总线组织也在致力于发展 IP 和以太网技术，预计当前快速发展

34、的 IT（information technology）技术也能成为工业控制网络中的一部分。当前有两个组织致力于这方面的工作：The Industrial Ethernet Association(IEA， http:/)和 Industrial Automation Open Networing Alliance(IAONA，http:/)。各大公司也纷纷开发技术（见表 3-1） 。表表 3-13-1现场总线协议 对应以太网服务 应用基金会现场总线 FF FF HSE IEC61158 Type 5 FMS 与 UDP/IP 之间的映射 PROFIBUS PROFIBUS on Ethern

35、et FMS 与 TCP/IP 之间的接口Modbus Modbus TCP Modbus 与 TCP/IP 之间的接口Control Net 和 Device Net CIP on Ethernet CIP 与 TCP/IP 之间的接口Lon Works iLon LonTalk 与 TCP/IP 之间的接口Interbus 还未宣布 与 TCP/IP 之间的接口随着微处理器和工业以太网的发展，未来的 I/O 设备可以就是一台网络服务器，通过浏览器网页就可以实现设备的加载、组态、监控。注册时，系统可以通过 IP 自动搜索网络上的硬件，这时组态软件就可以显示这些硬件，并提供组态界面。Windo

36、ws NT 对以太网驱动程序的支持，将使其成为工业控制中最合适的操作系统。Windows CE 也被认为是设备合适的嵌入式操作系统。有人预测 Windows NT 会占据 80%的市场分额，Windows CE 以其实时功能占据 16%，剩下的 4%使专用系统。.5 工业以太网是矿井综合自动化系统网络平台的最佳选择工业以太网是矿井综合自动化系统网络平台的最佳选择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

37、 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）通信速率高通信速率高目前 100Mbps 的快速以太网已经广泛应用，1000Mbps 以太网技术也逐渐成熟应用，10Gbps

38、甚至更高速以太网也正在研究，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

39、太网技术不断地持续向前发展。（6）易于与易于与 Internet 连接，能实现办公自动化网络连接，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成，传统的工业控制网络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总线的设备层上。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

40、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、工业以太网将是未来矿井宽带通信网络建设的必然选择。在以太网进军工控领域的过程中，各大现场总线组织都予以高度重视，并纷纷出台了自己的发展计划。所以我们认为工业以太网是矿井多媒体综合业务数字网络系统的最佳选择。3.3 煤矿矿井工业以太环网建设方案煤矿矿井工业以太环网建设方案.1系统构架系统构架根据以上分析，煤矿综

41、合自动化网络平台可以采用设备层 + 工业以太冗余环网 + Intranet 管理网络的三层结构模式。企业网络系统在技术设计时，其骨干网络可靠性和安全性是第一位的，同时要建设高带宽、高可靠性的网络主干。在煤矿综合自动化网络平台骨干网的设计中将采用工业以太冗余环网技术组成。在此基础上再通过二级、三级接入层交换机到达用户桌面。为了安全和可靠在煤矿工业以太环网和企业管理层局域网之间设置防火墙，用来隔离管理网与生产控制网，保证生产控制网的安全。.2 关键技术关键技术矿用工业以太网必须整合工业以太网技术（包括环型冗余技术、链路聚集技术等） 、嵌入式系统技术等最为先进的网络技术，能最大限度地

42、保证煤矿数据信息传输的可靠性和实时性。1 1、工业以太网技术、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Intranet管理网络（信息层）管理网络（信息层）离散设备离散设备工业以太网工业以太网过程设备过程设备三层网络结构示意图三层网络结构示意图设备层控制层信息层太网的环冗余和链路聚合等技术。工业以太网环冗余技术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

43、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。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。链路聚合技术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。

44、当聚合链路中一条或几条（不是全部）意外损坏时，数据仍然可通过剩余的物理链路传输。2 2、嵌入式系统技术、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

45、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

46、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，因而我们在矿用工业以太网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交换机进行管理和

47、控制。.3 网络网络拓扑结构拓扑结构综合信息自动化控制平台的主干网结构采用环形工业以太网，主干网传输介质为光纤，采用工业以太网交换机进行数据交换。地面、井下各设一个环网，两个光纤环网在控制中心机房通过高性能的工业级核心交换机连接起来，构成一个统一的矿井监控信息子网，该子网运行在一个相对独立的网段中，通过硬件防火墙与以后建立的矿企业网（也即是信息网络）隔离。工业环网与企业信息网间采用双网卡信息发布服务器工业环网与企业信息网间采用双网卡信息发布服务器+ +防火墙技术，或建议其它安全性更高的方式。防火墙技术，或建议其它安全性更高的方式。矿井自动化控制系统主控设备设于联合楼控制中心。配置服务器、工作站、操作员站，控制网通过 Web 服务器、防火墙、路由器(可选)与信息网连接。主干网络传输速率 1000Mbps，各子系统与主干网的连接为 10/100Mbps 自适应。同时，提供智能网关等设备，可使井下原