工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)設計方案

1、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)設計方案概述掌石溝煤業(yè)是基本實現(xiàn)機械化生產(chǎn)，具有復雜生產(chǎn)系統(tǒng)的礦井，為提高礦井的生產(chǎn)效率，對礦 井綜采工作面、順槽膠帶、主運輸系統(tǒng)、通風機房、井下變電所等環(huán)節(jié)實施統(tǒng)一操作、集中監(jiān)控、 統(tǒng)一調(diào)度。各礦綜合自動化系統(tǒng)，根據(jù)管控一體化思想，以三層網(wǎng)絡為基礎，結合自動化、信息、 計算機、網(wǎng)絡、通訊的新理論和技術，采用世界先進的自動化產(chǎn)品、網(wǎng)絡產(chǎn)品和工業(yè)控制軟件、數(shù) 據(jù)庫軟件，將煤礦生產(chǎn)、管理的各個環(huán)節(jié)，統(tǒng)一在一個網(wǎng)絡平臺上，形成一個統(tǒng)一、完整的有機整 體，使其在系統(tǒng)結構、網(wǎng)絡通訊、自動化覆蓋范圍方面處于同類礦井的領先水平。1.1.1設計綜述掌石溝煤業(yè)綜合自動化控制網(wǎng)絡系統(tǒng)的建設應遵循數(shù)字化

2、、高速化、智能化、標準化、安全可靠、易擴充升級的原則進行設計,同時充分考慮公司綜合自動化系統(tǒng)總體規(guī)劃和綜合自動化系統(tǒng) 網(wǎng)絡建設的現(xiàn)狀。對于掌石溝煤業(yè)工業(yè)綜合自動化平臺網(wǎng)絡系統(tǒng)， 在井上和井下設置的高速以太環(huán)網(wǎng)， 主鏈路采 用千兆光纖。在核心層采用千兆工業(yè)以太網(wǎng)技術，通過千兆鏈路將各環(huán)網(wǎng)的交換設備連接到網(wǎng)絡系 統(tǒng)的核心層次，同時具備高冗余性能。? 各環(huán)網(wǎng)結點主要是連接結點交換機附近的工業(yè)設備，以達到控制和信息采集的目的信息層：建設信息管理網(wǎng)，采用標準TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)技術。實現(xiàn)礦區(qū)各個管理部門的網(wǎng)絡連接，實現(xiàn) 人、財、物以及工程項目管理的綜合自動化，能對煤炭的生產(chǎn)狀況進行實時監(jiān)視，為管理決

3、策提供依據(jù)。? 控制層：建設綜合自動化控制網(wǎng)，采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場工業(yè)總線來實現(xiàn)，實現(xiàn)將井上 和井下區(qū)域控制器和設備監(jiān)控站所采集的信息和控制信號傳送給有關系統(tǒng)? 設備層：在設備控制層主要是煤礦各專業(yè)控制子系統(tǒng)控制層網(wǎng)絡設備的技術與產(chǎn)品選型本方案將采用基于以太網(wǎng)TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)技術，傳輸介質(zhì)采用層絞式礦用阻燃型光纜， 網(wǎng)絡結構采用基于光纖工業(yè)以太網(wǎng)的環(huán)形架構。1.2.1技術選擇現(xiàn)代煤礦的生產(chǎn)監(jiān)控管理系統(tǒng)中往往使用到多家廠商提供的多種不同類型的設備，為了達到方便管理，保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定的目的，必須選擇一個開放的通信平臺，并將各種不同類型設備的通信 統(tǒng)一到這一標準通信平臺之上。為保證良好的兼

4、容性和可擴充性，建議使用以太網(wǎng)TCP/IP技術作為整個系統(tǒng)的通信標準。如有其他類型的通信格式，如RS232 RS485或其他專用通信接口等等，均可通過協(xié)議網(wǎng)關轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信息包，在 IP網(wǎng)絡上進行傳送。以太網(wǎng)TCP/IP技術具有以下的 優(yōu)勢：? 隨著企業(yè)的發(fā)展、各種新技術的應用，可以預見，對網(wǎng)絡的帶寬要求也會越來越高，比如 基于網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控傳輸應用和井下設備信息數(shù)據(jù)采集等都需要進行大量數(shù)據(jù)的傳輸。以太網(wǎng)技術具有相當高的數(shù)據(jù)傳輸速率（目前已有成功案例應用于井下工業(yè)環(huán)境下的以太網(wǎng)交換機），能提供足夠的帶寬；? 能在同一總線上運行不同的傳輸協(xié)議，從而能建立企業(yè)的公共網(wǎng)絡平臺或基礎構架；? 支持交互

5、式和開放的數(shù)據(jù)存取技術；? 沿用多年，已為眾多的技術人員所熟悉，市場上能提供廣泛的設置、維護和診斷工具，成為事實上的統(tǒng)一標準；? 允許使用不同的物理介質(zhì)和構成不同的拓撲結構。以太網(wǎng)早期存在不確定性和實時性能欠佳的問題，已通過智能交換機的使用、主動切換功能的 實現(xiàn)、優(yōu)先權的引入等，基本上得到了解決。通過提高數(shù)據(jù)傳輸速率，仔細地選擇網(wǎng)絡的拓撲結構、 設置服務質(zhì)量（QOS）等，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和實時性。因此，本方案選擇工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)技術作為綜合自動化控制網(wǎng)的技術選型。冗余工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡設計1.3.1綜述隨著網(wǎng)絡化、綜合自動化概念向自動化領域的不斷滲透，自動化控制理念和技術也在不斷發(fā)展。在上

6、世紀末新型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡的封閉系統(tǒng)實現(xiàn)所造成的缺陷，試圖將基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案。此后，上位機、 PLC和現(xiàn)場總線構成的集散監(jiān)控系統(tǒng)逐步成為自動化的主流。但由于不同行業(yè)不同應用派生出的不 同的總線系統(tǒng)，加之經(jīng)濟利益的沖突，各種不同的現(xiàn)場總線標準之間的互不兼容嚴重束縛了不同廠 商設備之間的互連，使得現(xiàn)場總線成為受廠商限制的專用網(wǎng)絡。隨著以太網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，它不僅在辦公自動化領域而且在工業(yè)自動化場合得到了廣泛應用， 許多控制器、PLC、智能儀表、DCS系統(tǒng)已經(jīng)帶有以太網(wǎng)接口，這些都標志著工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為 真正開放互連的工業(yè)

7、網(wǎng)絡的發(fā)展方向。 采用的基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成式全分布控制系統(tǒng)，具有高度的分散性、實時性、可靠性、開放性和互操作性的特點，因此，本方案采用工業(yè)以太網(wǎng)技術進行綜 合自動化控制網(wǎng)的設計。1.3.2工業(yè)以太網(wǎng)的特點及安全要求雖然脫胎于Intran et、In ternet等類型的信息網(wǎng)絡，但是工業(yè)以太網(wǎng)是面向生產(chǎn)過程，對實時性、可靠性、安全性和數(shù)據(jù)完整性有很高的要求。（1）工業(yè)以太網(wǎng)是一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，實時性要求高，網(wǎng)絡傳輸要有確定性。（2）整個企業(yè)網(wǎng)絡按功能可分為處于管理層的通用以太網(wǎng)和處于監(jiān)控層的工業(yè)以太網(wǎng)以及現(xiàn)場設備層（如現(xiàn)場總線）。管理層通用以太網(wǎng)可以與控制層的工業(yè)以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，上下網(wǎng)段采用

8、相 同協(xié)議自由通信（3）工業(yè)以太網(wǎng)中周期與非周期信息同時存在， 各自有不同的要求。周期信息的傳輸通常具有 順序性要求，而非周期信息有優(yōu)先級要求，如報警信息是需要立即響應的。（4）工業(yè)以太網(wǎng)要為緊要任務提供最低限度的性能保證服務，同時也要為非緊要任務提供盡力服務，所以工業(yè)以太網(wǎng)同時具有實時協(xié)議也具有非實時協(xié)議。1.3.3工業(yè)以太網(wǎng)的應用安全問題分析（1）在傳統(tǒng)工業(yè)工業(yè)以太網(wǎng)中上下網(wǎng)段使用不同的協(xié)議無法互操作，所以使用一層防火墻防止來自外部的非法訪問，但工業(yè)以太網(wǎng)將控制層和管理層連接起來，上下網(wǎng)段使用相同的協(xié)議，具有互操作性，所以使用兩級防火墻，第二級的防火墻用于屏蔽內(nèi)部網(wǎng)絡的非法訪問和分配不同權

9、 限合法用戶的不同授權。另外還可用根據(jù)日志記錄調(diào)整過濾和登錄策略。要采取嚴格的權限管理措施，可以根據(jù)部門分配權限，也可以根據(jù)操作分配權限。由于工廠應 用專業(yè)性很強，進行權限管理能有效避免非授權操作。同時要對關鍵性工作站的操作系統(tǒng)的訪問 加以限制，采用內(nèi)置的設備管理系統(tǒng)必須擁有記錄審查功能， 數(shù)據(jù)庫自動記錄設備參數(shù)修改事 件： 誰修改，修改的理由，修改之前和之后的參數(shù)，從而可以有據(jù)可查。（2） 在工業(yè)以太網(wǎng)的應用中可以采用加密的方式來防止關鍵信息竊取。目前主要存在兩種密碼體制：對稱密碼體制和非對稱密碼體制。 對稱密碼體制中加密解密雙方使用相同的密鑰且密鑰保 密，由于在通信之前必須完成密鑰的分發(fā)，

10、 該體制中這一環(huán)節(jié)是不安全的。 所以采用非對稱密碼體 制，由于工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送的多為周期性的短信息，所以采用這種加密方式還是比較迅速的。 對于工業(yè)以太網(wǎng)來說是可行的。還要對外部節(jié)點的接入加以防范。（3） 工業(yè)以太網(wǎng)的實時性目前主要是由以下幾點保證： 限制工業(yè)以太網(wǎng)的通信負荷，采用1000M 的快速以太網(wǎng)技術提高帶寬，采用交換式以太網(wǎng)技術和全雙工通信方式屏蔽固有的CSMA/CD機 制。隨著網(wǎng)絡的開放互連和自動化系統(tǒng)大量 IT技術的引入，加上TCP/IP協(xié)議本身的開放性和層 出不窮的網(wǎng)絡病毒和攻擊 手段，網(wǎng)絡安全可以成為影響工業(yè)以太網(wǎng)實時性的一個突出問題。134綜合自動化網(wǎng)絡冗余方式選型MOXA交換

11、機的超級環(huán)網(wǎng)僅僅在切換中已傳遞的數(shù)據(jù)延遲 20ms而已，沒有數(shù)據(jù)丟失的問題。 選擇單環(huán)單節(jié)點冗余網(wǎng)絡是基于對現(xiàn)場各個控制系統(tǒng)的了解及比較決定的。因為要做到比單環(huán)單節(jié)點冗余網(wǎng)絡更加可靠的環(huán)網(wǎng)，就要選擇雙環(huán)網(wǎng)結構，所以各礦選擇既經(jīng)濟又可靠的單環(huán)單節(jié)點 冗余結構。本次規(guī)劃采用單環(huán)單節(jié)點組網(wǎng)方式，兼顧了可靠性與經(jīng)濟性。光纖環(huán)網(wǎng)冗余結構通過建立一個環(huán)狀的光纖以太網(wǎng)結構來實現(xiàn)網(wǎng)絡冗余，減少網(wǎng)絡單點故障， 增強整個通信網(wǎng)絡在突發(fā)情況下的生存能力。135網(wǎng)絡產(chǎn)品的選型功能要求較高，建議采1. 信息管理網(wǎng)絡產(chǎn)品選擇考慮到信息管理網(wǎng)絡對網(wǎng)絡設備的性能、 用目前市場主流的網(wǎng)御星云公司的網(wǎng)絡設備2. 綜合自動化控制網(wǎng)

12、絡產(chǎn)品選擇由于工業(yè)環(huán)境（如煤礦等行業(yè)）的特殊性，普通交換機在抗干擾性能、電磁兼容性、可靠性、可用性、MTBF等方面不能完全適應工業(yè)環(huán)境的要求，且不能形成高速冗余環(huán)的連接方式，使用壽命也會大大降低。因而必須采用工業(yè)級的以太網(wǎng)交換機，本方案采用臺灣MOXA公司的工業(yè)以太網(wǎng)交換機系列。MOXA工業(yè)級交換機產(chǎn)品特點：1、有工業(yè)級核心交換機，帶寬萬兆級別可承上啟下，無信息傳輸瓶頸。2、可以建立多環(huán)，系統(tǒng)帶寬隨環(huán)數(shù)倍數(shù)增加，方便擴容。3、交換機電磁兼容性、工作溫度、平均工作時間等指標是其他設備無法達到的。摩沙公司的工業(yè)以太網(wǎng)交換機 EDS618A和核心交換機PT7728系統(tǒng)產(chǎn)品均為工業(yè)級以太網(wǎng)設備。它們采

13、用牢靠的重負荷設計，其性能指標遠遠超過一般的0A網(wǎng)絡產(chǎn)品，電磁兼容性、工作溫度、防震等指標完全符合工作現(xiàn)場的要求。摩沙網(wǎng)絡產(chǎn)品還支持多種網(wǎng)絡拓撲結構和多重冗余方式，女（單）環(huán)網(wǎng)冗余、單環(huán)雙節(jié)點冗余、雙總線冗余、雙環(huán)網(wǎng)冗余和環(huán)間冗余。所有冗余結構在切換時，已傳遞的數(shù)據(jù)延遲小于100ms不會造成數(shù)據(jù)丟失的問題。1）網(wǎng)絡架構核心設備一一工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機要求以下設備具體配置要求以設備清單為準。中央核心交換機PT7728（ 2臺互為冗余）PowerTra ns PT-7728是一款高性能的交換機。 PT-7728滿足變電站自動化系統(tǒng)（IEC 61850-3 IEEE 1613）、交通控制系統(tǒng)（NEMA

14、 TS2 ）和軌道交通系統(tǒng)（EN50121-4）的需求。PT-7728可組 建高性能的千兆以太網(wǎng)骨干網(wǎng)絡、 冗余環(huán)網(wǎng)，它具備24/48 VDC或110/220 VDC/VAC冗余電源輸 入的功能，在提高網(wǎng)絡通信穩(wěn)定性的同時還可以節(jié)省布線。PT-7728模塊化的設計為用戶提供更加輕松的組網(wǎng)方式，4個千兆端口和24個以太網(wǎng)口讓您在組建網(wǎng)絡時更加靈活。PT-7728還可以選擇前/后出線的方式，非常適合您的各種應用。支持虛擬局域網(wǎng)技術（VLAN ）:使用虛擬局域網(wǎng)技術，通過將網(wǎng)絡劃分為獨立的子網(wǎng)，可以有效的降低網(wǎng)絡的負荷，提高網(wǎng)絡的通訊效率，它具有以 下特點：-支持 Turbo Ring 和 RSTP

15、/STP（ D）-IGMP Snooping和GMRP過濾多播封包-支持基于端口的VLAN、IEEE VLAN和GVRP協(xié)議，輕松實現(xiàn)網(wǎng)絡管理-通過QoS-IEEE 1Q和TOS/DiffServ提升決策機制-采用，LACP優(yōu)化網(wǎng)絡帶寬-支持IEEE和https/SSL，增強網(wǎng)絡安全性 -SNMP V1/V2c/V3用于不同級別的網(wǎng)絡管理-采用RMON提升網(wǎng)絡監(jiān)控能力 -ABC-01自動備份配置器-帶寬管理可以阻止不可預料的網(wǎng)絡狀態(tài)，端口鎖定只允許授權的MAC地址訪問-端口鏡像用于在線調(diào)試-異常事件通過E-mail和繼電器自動輸出報警-自動恢復連接設備的IP地址 -Li ne-swap快速恢復

16、 -可通過 web 瀏覽器、Telnet/Serial console Windows Utility 和 ABC-01 配置本次設計采用其中4個千兆網(wǎng)絡光口， 16個百兆網(wǎng)絡電口的核心交換機，網(wǎng)絡千兆光口與千兆環(huán)網(wǎng)聯(lián)接，建立主/備冗余；網(wǎng)絡百兆電口與服務器之間連接，從主干環(huán)網(wǎng)到服務器實現(xiàn)三層冗余，避免數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡傳輸?shù)钠款i，同時在調(diào)度臺放置的操控站與核心交換機網(wǎng)絡千兆電口連接,實現(xiàn)操控站高可靠性。主干交換機EDS-618AMOXA EtherDevice Switch EDS-618A 網(wǎng)管型工業(yè)以太網(wǎng)交" - gnJaM 一 r c rL rL 口 I=IB換機。千兆以太網(wǎng)冗余協(xié)議

17、Turbo Ring （自愈時間20ms），可以提升您的千兆網(wǎng)絡骨干的可靠性。EDS-618A以太網(wǎng)交換機支持多種智能化的網(wǎng)絡管理功能， 包括QoS,IGMP Snooping/GMRP ,VLAN ,Port Trunking,SNMP V1/V2c/V3 , IEEE和Https/SSL等功能。它具有如下特點:-2個千兆端口+ 16個快速以太網(wǎng)端口-Turbo Ring,Turbo Chain,RSTP/STP用于以太網(wǎng)冗余 IEEE 1588 PTP,Modbus/TCP 丄LDP ,SNMP Inform, QoS, IGMP snooping, VLAN , IEEE , HTTPS

18、, SNMPv3和支持 SSH-ABC-01 （自動備份配置器）更易于置換故障設備-IPv6 Ready認證（IPv6標志委員會認證）-IEEE 1588PTP （精密時間協(xié)議），用于與網(wǎng)絡同步的準確時間-DHCP Opition 82，用于以不同策略分配IP地址-支持工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議Modbus/TCP-Turbo Ri ng 及 Turbo Cha in (全載時自愈時間 < 20 毫秒)和 RSTP/STP (IEEE D)-IGMP Snooping及GMRP，用來過濾工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中的多播流量-基于端口 VLAN，IEEE VLAN和GVRP，輕松實現(xiàn)網(wǎng)絡規(guī)劃-支持QoS-IEE

19、E 1Q和TOS/DiffServ，增加網(wǎng)絡確定性-支持端口聚合，優(yōu)化網(wǎng)絡帶寬-支持SNMPv3, IEEE ，HTTPS和SSH增加網(wǎng)絡安全性-支持SNMPv1/v2/v3不同等級的網(wǎng)絡管理協(xié)議煤礦防爆兼本安環(huán)網(wǎng)交換機基本要求?具有防爆或本安認證?單臺交換機具有本安RS485或 RS232接 口，方便井下總線子系統(tǒng)接入為工業(yè)環(huán)境，滿足危險環(huán)境?具有10個以上的出線嘴(2)、KJJ58型礦用本安型以太環(huán)網(wǎng)交換機參數(shù)：網(wǎng)絡系統(tǒng)中采用的千兆 MOXA工業(yè)交換機節(jié)點設備均為專境設計的工業(yè)交換設備，能夠適應高溫、高濕、塵埃和震動的環(huán)在煤礦環(huán)境的防爆及安全要求。符合 GB5005 92爆炸和火災 電力裝

20、置設計規(guī)范和 GB3836- 83爆炸性環(huán)境用防爆電器設備通用要求考慮到現(xiàn)場的惡劣條件，為減少因電源故障而產(chǎn)生的網(wǎng)絡中斷等事故發(fā)生幾率；提高網(wǎng)絡的可 用性，井下環(huán)網(wǎng)交換機內(nèi)部均配備了專用的不間斷電源交換機工作電壓：127V/220V/380V/660V以太網(wǎng)光信號接口a、接口數(shù)量：4個;b、傳輸方式：全雙工TCP/IP傳輸協(xié)議，波長為1310nm的單模光纖；c、傳輸速率：10/100/1000M自適應；d、光發(fā)射功率：-10dBm-5dBm；e、光接收靈敏度：w -20dBm；使用 MGTSV- （2、4、6、8 10、12） A 型光纜。以太網(wǎng)電信號接口性能（本安接口）a、接口數(shù)量：6個；b

21、、傳輸方式：全雙工TCP/IP傳輸協(xié)議；c、傳輸速率：10/100 Mbps自適應；d、信號工作電壓峰峰值：1V5V ；e、 ？到分站設備之間最大傳輸距離：5m （MHYVR電纜，電纜分布參數(shù)：分布電容：WpF/Km ； 分布電感：w Km ;直流電阻：WQ /Km ）；RS485信號接口（本安接口）a、接口數(shù)量：4個b、傳輸方式：半雙工RS485信號，雙極性；c、傳輸速率：2400bpsd、信號工作電壓峰峰值：w 10V；e、信號工作電流峰值：w 95mA；f、 到分站設備之間最大傳輸距離：20km;服務器、工作站等設備的連接在中央調(diào)度室或機房的各個服務器、工作站等設備可通過快速以太網(wǎng)卡直接

22、與中央監(jiān)調(diào)度室室 的核心交換機的端口相連，提供 10/100M/1000M的端口速率?，F(xiàn)場的各個PLC或其他設備則直接通過雙絞線與現(xiàn)場就近的交換機的相應端口相連，提供 10/100M的端口速率。交換機布置方案介紹1.4.1網(wǎng)絡配置1、環(huán)網(wǎng)部分：根據(jù)掌石溝煤業(yè)礦井地域?qū)嶋H情況，按區(qū)域、節(jié)點數(shù)量、規(guī)?？蓜澐譃橐粋€環(huán)。自動化控制環(huán)網(wǎng)按照網(wǎng)絡節(jié)點與網(wǎng)絡應用不同，分為中央網(wǎng)絡與接入工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)兩部分。中央網(wǎng)絡核心設備與同機房的環(huán)網(wǎng)接入設備互連，保證不同環(huán)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)的傳輸。主環(huán)網(wǎng)都采用當今技術領先的千兆工業(yè)以太網(wǎng)技術。中央網(wǎng)絡設置于中心機房，用于提供接入環(huán)網(wǎng)的上聯(lián)，以及大量服務器的接入。同時， 中央網(wǎng)

23、 絡通過安全措施與信息管理網(wǎng)互聯(lián)。中央網(wǎng)絡設置兩臺PT7728作為整個網(wǎng)絡的匯聚核心交換機，通過光纜與主干交換機之間進行 傳輸。井下部分各交換機及設計布置點如下：序號設計布置點交換機數(shù)量備注1調(diào)度機房核心交換機2機房2中央變電所節(jié)點交換機1井下3煤倉節(jié)點交換機1井下4米區(qū)變電所節(jié)點交換機1井下2、環(huán)網(wǎng)交換機由于工業(yè)環(huán)境（如煤礦等行業(yè)）的特殊性，普通交換機在抗干擾性能、電磁兼容性、可靠性、可用性、MTBF等方面不能完全適應工業(yè)環(huán)境的要求， 且不能形成高速冗余環(huán)的連接方式，使用壽 命也會大大降低。因而本方案采用可靠的工業(yè)級的以太網(wǎng)交換機。所有交換機都采用光纖端口組環(huán)，一個連接上級交換機，一個用于連接下級交換機，構成一個完整的光纖環(huán)路。當其中某一段工作中的光纖線路被破壞或相應的網(wǎng)絡設備發(fā)生故障時，整個網(wǎng)絡 會自愈，并在500ms內(nèi)恢復正常的通訊，這樣就構成二級冗余如果環(huán)網(wǎng)中某個交換設備或鏈路發(fā)生故障，環(huán)網(wǎng)傳輸路徑將選