光纤工业以太环网

光纤工业以太环网（共6篇）

光纤工业以太环网 篇1

本文著录格式:[1]刘业辉.基于光纤工业以太环网的矿井安全监控系统设计及应用[J].软件, 2014.35 (1) :123-124

0 引言

工业以太网以其透明协议、组网能力强等特点在地面工业控制领域得到了大量的应用和实践, 而光纤传输网络则因为抗干扰能力强、传输距离远、传输数据量大、数据损耗量小等特点被应用于系统传输网络的建设中。因此将工业以太环网应用于矿井下与光纤的大容量网络系统进行结合, 形成多角度、全方位的矿井安全监控系统十分必要, 可以实现对井下情况的实时监控, 保证煤炭生产的安全运行。

1 基于光纤工业以太环网的矿井安全监控系统设计

由于矿山安全检测的目标比较多且较为分散, 所以矿井安全监控系统需要是一个遥测、遥控的系统, 以方便对于井下人员进行定位, 对于井下工程情况进行掌握。而工业以太网具有良好的开放性和易与网络集成等优点, 应用于矿井安全监控中有利于对目标进行分散式的控制管理, 因此, 很多煤矿企业都会采用将工业以太网与现场总线进行结合的方式对矿井安全进行监控, 这样既高效, 又集约的传输预警系统不但能提高数据传输效率, 还进一步增加了信息的可靠性, 具有良好的发展前景。

1.1 系统结构

组成整个煤矿生产预警系统的结构主要有地面监控中心、光缆、交换机、数据采集分站、传感器、执行器和电源等部件。将这些机器结构进行合理组装并利用光纤进行连接以形成一个完整的传输回路, 也就形成了地面调度中心层、监控中心层、现场设备层和网络传输层四大部分, 实现对煤矿安全生产进行监控预警。

1.1.1 地面调度中心层。

地面调度中心层是整个监控系统的核心, 负责对整个煤矿的生产情况、安全情况、人员分布情况等进行监控。监控中心的计算机系统会对接收到的各类数据进行有效处理, 并对处理的数据进行分析, 以确定矿井的具体情况, 当有异常情况出现时, 系统会及时做出警报, 从而调度中心人员可以采取有力的措施预防危险的发生, 提高生产的安全性。

1.1.2 控制中心层。

煤矿生产预警系统的控制中心层实际上是由多个监控分站组成的, 各个监控分站收集来自传感器的大量数据, 并对数据进行处理、传输, 将处理好的数据传到地面调度中心, 以帮助地面调度中心人员判断矿井内的情况, 从而进行有效人员调度和施工调度。

1.1.3 现场设备层。

现场设备层是整个煤矿生产预警系统中的第一个环节, 只有确保现场设备的正常运行, 才能保证搜集到的数据准确性, 才能保证整个监控系统的正常。现场设备层是由各个安装在井下的传感器、控制器等组成的, 负责对矿井现场的工作情况、人员情况和环境情况进行信息采集, 然后采集到的数据会通过网络传输层进行传输, 从而到达控制中心和调度中心, 实现对井下情况的监控。

1.1.4 网络传输层。

网络传输层主要是将地面调度中心层、控制中心层、现场设备层三部分进行连接, 以使数据准确的传达, 帮助系统进行数据的收集。而基于光纤工业以太网的矿井安全监控系统就是利用工业以太环网与光纤结合而形成的网络传输层, 具有传输数据及时、准确、消耗小的特点。

1.2 系统实现

1.2.1工业以太网系统由光纤链接井下设备层的交换机和地面控制层的交换机, 组成一个具有环形结构的传输网络。工业以太网与普通网络最大的区别在于它必须满足信号传输足够快以及保证信号的确定性, 因此必须保证以太网的通讯速率。目前以太网的通信速率以增大到1000M、10G, 在数据传输量相同的情况下, 传输速率的提高也意味着网络负荷的减轻和传输延时的减小。

1.2.2整个系统分为井上控制系统和井下控制系统, 井上部分网络系统采用1000M工业以太环网将设备进行连接, 再通过防火墙与管理信息网进行连接。井下设备用1000M的矿井工业以太网进行设备连接。整个系统利用光纤工业以太环网冗余技术和多主并发通讯技术, 提高了系统通讯速率、通讯可靠性、稳定性, 并且扩展了系统的接入能力。

1.2.3对于井下设备现场总线协议标准的选择一般层次较少, 通常是由OSI七层模型的物理层、数据链路层和应用层组成的, 当然也会有层次较多的, 如P-Net。一种现场总线可以有不同的应用层, 而网络传输性能也取决于它的应用层, 在研究、选择矿井现场总线时可以选择、组合不同的现场总线技术, 以完善现场总线设计。

1.2.4在进行工业以太网设备选择时, 要选择具有防爆功能、易安装、易检修、电源输入范围广、有过压过流保护、可以进行故障报警和定位、故障后快速恢复且设置简单的设备, 以保证设备能够适应井下高温、潮湿的恶劣环境。

1.2.5根据现场情况, 设置相应的支持星型、总线型和环形等多种拓扑结构, 保证最大传输距离不小于15公里。同时构建完整的网络结构, 科学的按照区域、节点数量划分自动化控制网, 当一段光纤工作中出现问题时, 整个网络会自愈, 实现短时间内的通讯正常恢复。

2 基于光纤以太环网的矿井传输系统的应用

2.1 矿井多协议数据传输

光纤作为一种高效的信息传输工具, 具有损耗小、接线容易、易于成系统等特点, 且光纤的频带比较宽, 尽管也会有不同程度的损耗, 但是通常情况下, 光纤的频带宽度都能够达到30000GHZ, 这样的传输速率可以及时传输大规模的数据信息, 从而保证了信息的完整性和全面性。另外, 工业以太环网与光纤的结合还能有效保证数据传输的高效性, 将以太环网与光纤结合扩宽了数据传输线路, 可以同时对于许多数据进行传输, 从而保证了地面调控中心可以对矿井下的信息进行全面把握, 及时对于矿井下的工作进行安排布置。

2.2 视频监控技术

视频监控具有悠久的历史, 在传统上广泛应用于安防领域, 是协助公共安全部门打击犯罪、维持社会安定的重要手段。但现在视频监控技术还有不完善的地方, 比如录像储存量不足、画面缺少实时性、数据分析判断困难等。而将光纤工业以太环网应用于矿井下的视频监控技术可以使监控系统从集总式变为集散式, 集散式监控系统采用多层分级的结构形式, 使整个网络可以进行共享。根据传感器和交换机提供的监控数据, 系统可以将这些数据进行编码、存储、分析等, 然后将分析的数据通过光纤传递给地面调控中心层, 从而使地面控制中心能够准确的进行视频的监控。

2.3 在人员定位、考勤系统中的应用

基于光纤工业以太环网的煤矿井下人员监测管理系统是集计算机软硬件、信息采集处理、无线数据传输、网络数据通讯、自动控制等技术多学科综合应用为一体的自动识别信息技术。基于光纤工业以太环网的矿井安全监控系统可以有效的对于矿井下工人的行动进行监控, 利用井下安装的全数字视频监控系统提供的画面信息对人员的考勤情况、施工情况、以及安全情况进行实时监控, 从而保证工作的高效性。

3 结语

光纤工业以太环网在矿井安全监控方面的应用不仅能够维护煤矿企业的经济效益, 保障人员的安全, 同时还能实现资源的节约, 形成良好的经济效益, 对煤矿企业的发展有着积极作用, 值得大力应用与推广。但是目前我国的煤矿企业并没有达到广泛使用光纤工业以太环网的条件, 所以需要相关人员不断进行技术的研究和推广, 以提高我国煤矿企业生产的技术含量, 推动煤矿企业安全管理工作的发展。

参考文献

[1]黄新平.密码学课程交互式算法演示系统的开发与应用[J].软件.2013, 34 (6) :8-12

[2]李苏阳.光纤工业以太环网在煤矿的应用[J].煤炭科技, 2012 (4)

[3]周博, 薛章华.基于网络的煤矿井下视频监控系统[J].软件, 2012, 33 (7) :30-31

光纤工业以太环网 篇2

某小方坯连铸机控制系统原由1个公用PLC(西门子Simatic S7-400)和6个铸流PLC(西门子Simatic S7-300)组成,PLC间通过Profibus网通信,最高传输速率为1.5Mb/s,每个PLC自身还配有1个Profibus-DP,用于与所属变频器通信。经过长时间的运行,该连铸机控制系统凸显出数据传输速率低、系统扩展性差的问题,为此采用工业以太光纤环网对原连铸机控制系统进行技改。

1 工业以太光纤环网组态

1.1 工业以太网络器件构成

工业以太网络器件由网络连接部件、通信介质、CP控制器和网卡构成。

(1)网络连接部件:

OSM(工业以太网光电交换机)3台,每台有6个RJ45端口、2对光纤接口。

(2)通信介质:

四芯多模玻璃光纤。

(3)CP控制器:

用于将PLC连接到工业以太网。S7-400 PLC采用443-1型CP,S7-300采用343-1型CP。

(4)网卡:

用于将PG/PC连接到工业以太网通信处理器。

1.2 工业以太网的硬件组态

连铸机控制系统基本网络拓扑图如图1所示,工业以太网采用光纤环网结构,网络核心为3个OSM交换机。OSM采用西门子产品,每台OSM配有6个RJ45端口用于连接PLC或上位PC,2对光纤接口用于连接光纤。由于OSM属于智能交换机,因此无需对其进行设置,只需在Simatic环境下对PLC系统、上位PC等进行重新设置即可实现数据的交换。

重新设置PLC系统、上位PC时,先在PLC上安装CP模板,再打开西门子Simatic Manage管理器,选择所属项目进入硬件配置界面;选择NTEPRO后,在该界面下新增一个Ethernet,并将所有PLC直接挂在这个Ethernet(每个PLC采用IP+MAC地址,MAC地址在CP上是唯一的,而IP地址可随意设置);随后选择需通信的PLC,建立连接,并记录连接的ID和LADDR号(用于编程);最后存盘下装到PLC,至此硬件网络组态完成,网络物理结构基本完成。

2 软件编制

硬件组态完成后便进行软件编制。编程采用西门子Simatic Step7编程软件,PLC使用Step7提供的标准通信功能块FC5和FC6。相关程序如下:

其中,FC5为发送数据,FC6为接收数据;SEND为发送数据的位置编码,LEN为发送数据的长度,DONE、ER-ROR、STATUS为发送的状态,RECV为接收数据的位置编码;ID、LADDR与CP模板中的硬件配置参数相对应。软件编制完成,下装到PLC即可运行。

3 技改效果

将8个PLC系统、3个上位监控系统和1个物流跟踪系统的网络分割成几个子网络/段,分别连接到3个OSM上,在现有网络中实现了负载解耦,从而提高了网络性能。建立了双光纤环,环内的数据传输速率达到100Mb/s,且OSM间的通信可靠性增加了1倍,即使某段光纤出现问题,也能保证通信的正常进行。OSM配有的6个RJ45端口,可与支持TCP/IP协议的以太网终端设备进行连接,解决了通信难题,提高了系统运行的可靠性。

4 结束语

采用工业以太光纤环网的连铸机控制系统自投运以来,通信稳定、速度快,故障大大降低,同时为小方坯连续测温系统、末端搅拌系统、定尺切割系统等提供了良好的扩展平台。

摘要：某小方坯连铸机控制系统采用Profibus网,因其无法与液面自动控制系统、物流跟踪系统进行数据的无缝链接,故用工业以太光纤环网替代Profibus网,实现快速、可靠的数据通信。介绍了工业以太光纤环网器件构成、硬件组态、软件编制。

关键词：工业以太光纤环网,OSM PLC Step7

参考文献

[1]崔坚,李佳.西门子工业网络指南[M].北京:机械工业出版社,2004

光纤工业以太环网 篇3

煤矿井下环境复杂, 各种突发事件随时可能危及井下人员的生命安全。尤其是在事故发生后, 地面与井下人员的信息沟通不及时, 地面人员不能及时掌握井下人员的分布及作业情况, 难以进行精确的人员定位, 给人员撤离和事故抢救带来了极大的困难。而人员定位系统可准确显示井下人员的分布情况和具体位置, 为营救工作赢得时间, 将人员损失降到最小。

1传统人员定位系统的组网模式

传统人员定位系统主要由3个部分组成:地面控制中心CMC (Control Management Center) 、信号接收装置 (识别分站) 、信号发射器 (识别卡) , 其中识别分站作为整个系统的重要组成部分呈网络状布局在不同的位置。传统人员定位系统的组网模式基本上都采用RS485或CAN总线等现场总线型结构, 如图 1所示, 各识别分站用线缆彼此串接起来, 之后通过线缆接入地面控制中心。

2人员定位系统接入工业以太环网的可行性分析

2.1 工业以太环网传输平台

随着科技的不断发展, 煤矿自动化程度越来越高, 象胶带运输、供电、储装、提升、排水、通风等子系统很多都实现了自动控制。但这些子系统往往相互孤立, 各自都以自己的方式自成网络接入地面控制站, 造成通信线路重复建设、信息难以共享等问题。

工业以太环网作为一种以工业以太网络交换机为中心、以光缆为传输介质、以环的形式组成网络的信息传输平台, 正逐步在各煤矿推广。工业以太环网以实现信息的高度共享为目标, 可为煤矿综合信息建设提供一个统一共享的信息传输通道。作为一种新型的数据传输模式, 工业以太环网以其开放的传输协议、冗余的网络结构以及在速度、价格和技术方面的优势, 已经成为煤矿自动化、信息化建设的必然趋势。

2.2 人员定位系统接入工业以太环网

将人员定位系统接入工业以太环网是一种趋势, 具体分析如下所述。

(1) 可行性

由于目前人员定位系统基本都采用RS485或现场总线传输方式, 要接入工业以太环网, 可采用如下方式:

识别分站侧:首先必须将传输协议转换成TCP/IP协议, 之后再接入工业以太环网。

CMC侧:从传输平台取出数据进行处理有2种方式:一种是再进行一次协议转换, 转回RS485或总线型传输协议, 之后按原来方式接入;另外一种是对硬件及软件进行修改, 直接对TCP/IP型数据进行解析 (该方式开发周期长、难度较大, 也不经济) 。

从技术上来说, 这种改造方式只是在数据的传输形式上有所变动, 数据的发送与接收部分都和原来完全一样, 技术上是完全可行的。而且目前市面上有很多具有协议转换功能的转换模块, 技术成熟, 稳定可靠。

(2) 安全性

按照传统的组网模式, 各个分站由1根通信线缆彼此串接, 在复杂的井下环境下, 通信线缆极易出现故障, 一旦某段线缆发生断裂, 其以下所有分站的通信都将中断。如果采用工业以太环网传输平台, 各段分站可就近接入以太环网, 借助环网的高可靠性, 即使某段光缆发生断裂, 也能保证数据的安全传输。

(3) 经济性

传统人员定位系统的组网方式, 分站之间不管多远, 都必须由通信线缆串接起来, 同时识别分站与CMC通信也必须用线缆连接, 这样不但浪费线缆, 而且通信干扰也大。如果采用工业以太环网的传输方式, 交换机附近的分站串接后可统一接入环网, 这样可以节省大量的通信线缆, 同时又能保证通信的可靠性。

综上分析, 人员定位系统接入工业以太环网是完全可行的, 也是经济实用的。

3基于工业以太环网的人员定位系统设计

3.1 硬件组成

基于工业以太环网的人员定位系统的硬件主要包括CMC、工业以太环网、转换模块、识别分站、识别卡。CMC、识别分站和识别卡是人员定位系统的基本组成部分, 共同完成人员的定位管理功能。工业以太环网由专业级的工业以太环网交换机和传输光缆组成, 具有环网冗余和自愈能力, 提供一定数量的RJ45网络接口, 便于各类系统的以太网络接入。转换模块负责将原有人员定位系统的数据格式转换成TCP/IP型格式, 实现系统的工业以太环网接入。

3.2 拓扑连接

为了实现人员定位系统对工业以太环网的无缝接入, 同时考虑到合理的成本投入以及环网交换机接口数量问题, 笔者采用环网加RS485的组网模式:主干路采用环网传输, 分支仍然使用RS485。按照上述设计思想, 首先必须完成以下工作:

(1) 分站位置确定

按照人员定位系统的设计方式整体规划识别分站的安装位置和数量, 确定安装方案。

(2) 区域划分

以各环网交换机为中心, 将识别分站划分为一个个不同的小区域, 这些小区域将是环网接入的独立单元。

(3) 小区域内组网

各小区域划分好之后, 区域内的识别分站通过RS485进行合理化连接。

以上工作完成之后, 接下来就可以将识别分站接入以太网。如图2所示, 选取离交换机最近的识别分站, 通过RS485接入转换模块, 经转换为TCP/IP协议后以RJ45输出形式接入环网交换机。

(4) CMC接收数据

CMC接收数据有2种方式, 如图3所示: 一种是从环网取出数据后再通过转换模块将数据转换回RS485形式进行接收, 该方式需在CMC与交换机之间增加1块转换模块;另一种方式是CMC内的计算机直接通过以太网卡与交换机相连获取数据, 之后通过虚拟串口软件进行数据解析, 该方式结构简单, 也比较经济。本文选择第二种方式。

3.3 软件结构

系统软件主要集中在CMC, 具体包括虚拟串口软件、转换模块配置软件、定位数据服务软件、数据库管理软件、人员定位软件。虚拟串口软件负责串口虚拟以接收TCP/IP型格式数据, 并转换成定位数据服务器能接收的数据格式;转换模块配置软件负责各转换模块的属性配置;定位数据服务软件负责数据解析和分类存储;数据库管理软件负责数据存储, 并与人员定位软件结合完成数据管理任务。

人员定位系统接入环网后的首要工作是对转换模块和虚拟串口进行配置管理操作, 这一步十分关键, 下面结合NTS601终端服务器 (转换模块) 介绍其详细的配置过程。

(1) 安装虚拟串口软件

首先打开Marsvport.exe文件安装软件, 安装完成之后打开虚拟串口软件, 为虚拟串口添加VBUS协议, 并配置其属性:IP地址为200.0.0.40;本地端口为1 500;多波TTL为1。

(2) 配置转换模块参数

首先确保NTS601终端服务器已经与基站以及交换机连接并运行正常、以太环网运行正常、运行虚拟串口软件的计算机与环网交换机连接正常。接下来打开转换模块管理程序Marsinstaller.exe, 扫描转换模块, 此时所有的转换模块及对应IP地址将出现在列表中 (为了便于对转换模块的管理维护, 安装之前应该对转换模块的IP地址和安装位置有个规划并进行设置) , 对每一个终端服务器作如下配置:

1#模块:

ID号码:1

名称:mk001

IP地址:200.0.0.41

多播IP地址:200.0.0.40, 为虚拟串口的IP地址

端口设置:

工作模式:VBUS

波特率:9 600

打包模式:包模式

最大包长:512

远端端口号:1500, 与虚拟串口对应

2#模块:

ID号码:2

名称:mk002

IP地址:200.0.0.42

多播IP地址:200.0.0.40, 为虚拟串口的IP地址

端口设置:

工作模式:VBUS

波特率:9 600

打包模式:包模式

最大包长:512

远端端口号:1500, 与虚拟串口对应

按照以上方式设置好所有的转换模块后, 打开虚拟串口软件及定位数据服务软件即可读写数据, 与传统连接方式完全一样。

4某矿接入实例

根据以上设计原则, 笔者在某矿进行了人员定位系统接入工业以太环网的试验。该煤矿已经建设了1套由11台工业以太环网交换机组成的覆盖井上、下的环网传输平台。人员定位系统共有57台识别分站, 根据交换机分布情况将这57台识别分站划分为11个小区域, 分别由11块转换模块统一接入环网平台。经过近3个月的试运行, 目前整个系统通信正常, 运行稳定。

5结语

本文针对人员定位系统现有的组网形式, 结合矿用工业以太环网传输平台的发展前景, 分析了人员定位系统接入环网传输平台的可行性及具体方式。基于工业以太环网的人员定位系统无论从经济性还是可靠性来说, 都有着很大的优势, 必将成为未来发展的一种趋势。

摘要：文章提出了一种基于工业以太环网的人员定位系统的设计方案, 分析了人员定位系统接入工业以太环网的可行性及具体方式, 重点介绍了系统硬件组成及软件结构。实例验证, 该系统通信正常、运行稳定。

关键词：煤矿,人员定位,组网模式,工业以太环网

参考文献

[1]张浩, 谭克勤, 朱守云.现场总线与工业以太网络应用技术手册[M].上海:上海科学技术出版社, 2002.

[2]邱理科.煤矿井下人员定位系统原理及应用[J].煤矿现代化, 2007 (1) .

[3]周磊.基于工业以太网的现场智能控制模块设计[J].微计算机信息, 2008 (17) .

[4]郝兵.煤矿井下人员定位系统技术研究[J].山西焦煤科技, 2007 (5) .

[5]张长森, 董鹏永, 徐景涛.基于ZigBee技术的矿井人员定位系统的设计[J].工矿自动化, 2008 (2) .

光纤工业以太环网 篇4

关键词：工业以太环网,综合信息化,平台集成,煤矿

0 引言

本文以新汶矿业集团公司某矿的综合信息化平台建设为研究对象,详细介绍了其建设过程中的技术问题。

1 综合信息化网络平台架构

1.1 综合网络总体方案

根据煤矿信息化建设的要求,煤矿全矿井信息化系统设计两层网络,信息层网络和控制层网络[1,2]。

煤矿地面综合调度控制中心建立以监测与控制为主的管理以太网,有独立的网关和防火墙,并可以通过以太网向公司提供煤矿全矿安全、生产等信息,并支持授权的远程访问。

煤矿综合控制系统包括井上部分和井下部分,以1000M工业光纤以太环网作为全矿主干网,主干网通过工业级交换机为全矿各个子系统提供方便灵活的工业以太网接口,煤矿地面、井下子系统均可以方便加入。

煤矿主干网为1000M工业光纤以太网,采用环型结构,核心交换机采用国际顶级工业级品牌,以保证系统的高可靠性。即使光纤网络有一点断开,网络也能照常工作,并且能很快诊断出故障的位置,方便进行维修。

系统的服务器设计为冗余结构,服务器采集、分析、管理全矿安全、生产等全部信息,并提供给各个操作员站,各操作员站对全矿子系统的控制信息也由服务器,经由工业以太网上相应节点发送到被控子系统。服务器上的重要历史信息能够保留一年或更长时间。

在1000M工业以太网上设计一台工程师站,工程师站由经过专门培训过的工程师操作,工程师站负责组态并维护全部控制系统。

本文建立全矿井的综合自动化网络系统,主干网络采用光纤以太环网传输(传输速率1000M),把基础自动化各子系统和工业电视监控系统连接到该系统平台上,通过该系统能对基础自动化各子系统发布控制命令,并能监视各子系统设备的运行状态,收集所需的生产和安全参数进行分析等操作。系统往上能够联接集团公司企业资源管理(ERP)等系统,便于矿井与集团公司之间的生产与管理信息交换。

1.2 系统架构

对于煤矿综合信息化平台设计,我们根据管理与控制一体化的观念,将系统分为底层自动化控制系统和上层信息系统,结合计算机、网络、通讯、自动化及信息的新技术与理论,采用先进的工业控制软件和网络产品、自动化产品以及先进的数据库软件,实现煤矿在安全、电、水、风、运输、掘进和开采等环节的全面信息化,将管理与生产的所有环节统一到一个网络平台上,构成完整、统一的整体[3,4]。

1.2.1 网络平台配置的特点

1)可靠性高:独立工业环网;网络自愈时间小于30ms(要求500ms);核心交换机冗余热备份;数据库冗余热备份。

2)安全性高:工业环网、企业管理环网和外网连接均采用防火墙隔离;井下1000M环网(要求100M环网);满足井下日益增加的数据带宽需要;自主隔爆兼本安产品;井下采用自主研发的1000M本安隔爆光纤环网交换机。

3)方便接入:KJJ136具备多种接口;以太网接口;RS485接口;CAN接口;有在多个矿和多种设备对接经验,方便接入。

4)具有多种软件接口成熟协议:OPC、DDE和TCP/IP;MODBUS和CDT91规约;对多个矿和多种设备对接成功经验的总结;西门子、AB、GE、Schneider、ABB、欧姆龙和三菱等知名品牌PLC;上位组态软件WINCC、i Fix、Intouch和Kingview。

1.2.2 系统结构要求

1)工业以太网:利用1000M的工业以太网做基础,克服就地控制过程中可能存在的隐患及事故,克服不同设备间难以完全发挥出效率、相互之间容易脱节等缺点,系统包括网络通信接口设备、信息传输介质、现场分站以及地面控制中心,形成统一、先进的自动化控制集成网络平台,保证了系统的可靠性和安全性。

2)环网冗余技术。

3)异构系统的互联互通:本计方案分别要在网络级和串口级提供多种符合国际主流标准的接口方式,便于各种子系统的接入,实现最大限度的信息共享;能够集成不同厂家的硬件设备和软件产品,实现各系统间信息互通,并将各系统数据集成。

4)完备的接口预留:本环网的建设充分考虑到煤矿未来信息化建设和自动化改造建设的需求,采用成熟的软件产品和环网搭建,极大程度上降低了将来各种系统的改造和建设的难度和费用。

5)实时信息数据集成。

6)统一的数据库:在集成化的数据管理中,所有的数据存放在SQL SERVER数据库中进行管理,数据一旦被输入,在整个系统中都可以使用。

建立的整个环网系统结构如图1(a)和1(b)所示。

由于B/S结构的管理软件比C/S结构软件有较大的优势,因此调度平台软件采用B/S模式设计三层网络体系结构:浏览器、应用逻辑服务器和数据库服务器,软件系统采用全中文平台界面,窗体框架结构,界面直观易学易用,多线程技术,能实现多任务稳定可靠运行。

1.3 软件平台主要功能

综合信息化软件平台不仅仅是对所接入的系统的信息综合,更关键的把数据分类、共享,建立有效的管理系统,为领导决策提供依据。

1)信息的综合功能和实时监测功能。

2)控制功能:具有远程启动、停止、复位和测试功能,并具有可进行地面远程编程、故障(保护)屏蔽及控制方式转换等功能。

3)WEB浏览功能。

4)数据系统分级管理。

5)实时报警故障记录。

6)完整的事件记录,为系统的事故追查及重演提供重要的信息。

7)扩展功能:选用计算机和系统软件应留有备用容量和接口,可以很方便地进行扩展,以满足将来全矿井的需要。

8)系统安全性:系统抗干扰能力强和容错性好,具有优良的安全验证体系,支持系统的安全性恢复;支持数据备份;保证系统安全可靠。

9)故障报警分析功能。

10)综合数据统计查询功能。

11)可以查看历史数据曲线。

12)报警功能:能为用户提供各类监测系统的实时报警信息包括超限报警、开关报警和系统在线设备的故障记录。

13)打印功能。

14)授权管理功能:在综合自动化监控系统中,使用者对系统的操作权限应该有严格的控制,必须限制哪些用户能够登录该系统,可以使用系统中的哪些子系统,以及对子系统能够具备什么样的操作权限。

2 核心交换机

由于煤矿行业的特殊性,普通交换机在抗干扰性能、电磁兼容性、可靠性、可用性、MTBF等方面不能完全适应环境的要求,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。本方案核心交换机选用工业级以太网交换机,配置千兆以太网光口。

1)工业以太网交换机

此方案设计采用德国赫思曼公司生产的工业交换机。赫斯曼产品特点:有工业级核心交换机,带宽万兆级可承上启下,无信息传输瓶颈;可以建立多环,系统带宽随环数倍数增加,方便扩容支持环网冗余、环间耦合、环相切等独特功能来保证其可靠性。

德国赫斯曼公司的工业以太网交换机RS2、MICE和MACH400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煤矿工作现场的要求。

2)核心交换机MACH4002-24G-L3P

整个信息化平台系统配置2台德国赫斯曼生产的MS4002-24G-L3P工业级核心交换机。赫斯曼核心交换机如图2所示。

本产品是一款机架安装式、组网十分灵活,可组成超级光纤自愈环网、超级工业以太环网自愈环网,方便了用户的使用。上联冗余的1000Mbit/s端口,利用上联冗余接口,可以组成自愈环网。提高系统可靠性。

3)地面环网交换机

地面安装的赫斯曼环网千兆交换机,每台交换机配置不少于2个1000M光口,不小于12个10/100M电口,并为每台环网交换机配置UPS不间断电源,支持4小时延迟。

4)井下隔爆兼本安型环网交换机

隔爆兼本安通讯接口属矿用隔爆兼本质安全型设备,可以在有甲烷、煤尘爆炸的危险环境中使用,为具备以太网接口或具备RS485通讯接口的设备提供信息交换渠道。设备提供8个以太网接口,2个千兆以太网光口,1个百兆以太网光口,3个本安10M/100M自适应以太网电口、2个本安标准RS485通讯接口,同时具备千兆以太网冗余功能,适合组建千兆骨干网络。

5)交换机的网络管理

交换机的网络管理,可以采用赫思曼公司的网络管理软件Hi Vision,通过对网络的全面监视,能够实现综合的负载和故障分析,也能发现网络中可能存在的隐患并及时采取措施。

3 子系统软硬件接入

3.1 硬件接入方式

根据控制点的分布、各信息化子系统的特点和接入技术的特点,有以下四种接入方式:

1)上位机接入

对于信息化系统比较简单,没有以太网接口,但有上位机,可以在该上位机上增加通讯以太网卡支持,与附近的交换机进行物理上的网络联接。上位机接入方式如图3所示。

2)PLC接入

对于信息化系统采用PLC进行控制,可以对PLC增加以太网模块,与交换机进行物理上的网络联接。PLC接入方式如图4所示。

3)子网络接入

对于信息化系统已经很成熟,并且自成网络,对外有统一的以太网接口,可以通过此RJ45口与交换机进行物理上的网络联接。子网络接入方式如图5所示。

4)扩展接入

对于信息化系统不仅没有以太网接口,而且也没有上位机,但该系统支持RS485或Profi bus等现场总线,可以增加一台接口转换设备,通过扩展方式转化成以太网接口与交换机进行物理上的网络联接。扩展接入方式如图6所示。

3.2 软件接入方式

在各个自动化系统与综合信息化的千兆以太网进行物理上硬件网络联接以后,下一步要解决的就是通过软件进行数据通讯,各自动化系统与采集服务器的数据通讯有四种方式:OPC通讯方式、驱动通讯方式、DDE/Net DDE方式和自主开发方式,但是最佳的方式是OPC通讯方式,并且需要提供OPC接口。

1)OPC通讯

OPC主要在制造自动化以及过程控制等领域得以广泛应用。OPC是以OLE/COM机制作为应用程序的通讯标准。OPC使接口函数得以规范,不管现场设备以何种形式存在,客户都以统一的方式去访问,从而保证软件对客户的透明性,使得用户完全从低层的开发中脱离出来。

如果该自动化系统具有上位机,并且该上位机软件支持OPC SERVER,则可通过上位机软件的OPC方式进行通讯。OPC通讯方式如图7所示。

2)驱动通讯

如果组态软件支持该自动化系统的PLC的驱动,或者该PLC有基于OPC SERVER的驱动,则可以通过组态软件直接与PLC通讯进行数据交换。驱动通讯方式如图8所示。

3)DDE/Net DDE

DDE/Net DDE通讯方式是一种标准的网络接口,是MS Windows操作系统提供的一种动态数据动态数据交换信息通讯机制,它允许两个应用程序通过连续自动的交换数据来进行对话。由于DDE方式本质存在的问题,基于DDE的数据通讯不够稳定,因此,在涉及到关键过程或关键设备的监控过程中,不推荐使用DDE作为通讯方式。但是,DDE/Net DDE通讯方式易于实现和使用,且成本低,在一些不重要的数据通讯中仍然可以使用。DDE/Net DDE通讯方式如图9所示。

4)自主开发

对于以上条件都不满足的情况,可以由自主开发,软件开发资质是CMMI5级,全国最高,而且在煤矿综合自动化软件通讯开发中,成功与供电系统进行数据交换通讯,具有丰富的经验。

3.3 线缆接入方式

由于各个子系统比较分散,而且在多雷击、电磁干扰强、传输距离远的不利条件下,实现可靠通讯,因此在接入时线缆连接方式根据实际情况有以下五种方式。

1)当地面自动化系统与主交换机的距离在100米之内时,通过双绞线接入到环网中。

2)当地面自动化系统与主交换机的距离超过100米,采用单模光纤收发器或小交换机接入到环网中。

3)当井下自动化系统与主交换机的距离在100米之内时,通过矿用双绞线接入到环网中。

4)当井下自动化系统与主交换机的距离超过100米,但该处只有1个系统接入时,采用矿用本安型数据光端机,通过单模光纤接入到环网中。数据光端机建议采用矿用隔爆兼本安不间断电源,因为该电源供电时间较长。

5)当井下自动化系统与主交换机的距离超过100米,但该处有1个以上系统(包括网络摄像头)需要接入时,采用小型交换机,通过单模光纤接入到环网中。

4 结束语

本文选择了适合煤矿企业特殊环境的工业以太环网,工业以太环网运行安全可靠稳定,选择了性能可靠的矿用赫斯曼交换机,并对多种接入方式及通讯方式进行了研究和总结。最终建立了综合信息化平台构架,为后面子系统(例如运输子系统、供电与排水子系统、安全监控子系统以及视频调度系统等)的研究建立打下了坚实的基础。

参考文献

[1]孙进良,刘永生,张继伟,李聪,郭晓庆.超化煤矿综合自动化技术方案的探讨与研究[A].第18届全国煤矿自动化与信息化学术会议论文集[C].2008.

[2]Huang S C,Huang Y M,Shieh S M.Vibration and stabilityof a rotating shaft containing a transerse crack[J].Soundand Vibration,1993,162(3):387-401.

[3]张申,孟祥军,阎钦运.煤矿综合自动化系统三网合一的特点与趋势[A].第十八届全国煤矿自动化学术年会中国煤炭学会自动化专业委员会学术会议论文集[C].2008.4-8.

光纤工业以太环网 篇5

关键词：工业以太网交换机,功能特点,冗余拓扑结构,环网冗余网络,实际应用

随着广西南防铁路运能的不断提升, 沿线小站所需要的通信业务通道越来越多, 除了主要的DMIS、TMIS、交换、微监、电力远动等网络通道外, 近几年又增加OA办公、公安专网、视频会议、信号电源监控等通道。新增加的这些通信网络通道基本上采用了点对点的传输方式, 不仅占用了大量的2M主干通道, 且无网络冗余功能, 一旦有网络故障时影响的时间较长。如何保证这些网络通道的安全性、可靠性、稳定性呢?本文阐述的以工业以太网交换机和通信2M通道组成的环网冗余网络在沿线小站的应用可达到此要求。

1 工业以太网交换机的功能特点

工业以太网交换机是指满足工业现场需要, 技术上与商业以太网交换机兼容, 而实时通讯、可靠性、稳定性、安全性、环境适应性等各方面要求高于商业以太网交换机的一种以太网设备。除具备有普通以太网的所有功能外, 它还具有以下特点:

(1) IEEE802.3/802.3d/802.3u/802.3x, 存储转换交换方式;

(2) 支持VLAN技术, 具有抑制广播风暴功能, 支持服务质量 (QoS) ;

(3) 端口链路告警信息、电源故障信息继电器输出;

(4) 冗余直流电源输入, 工作温度范围宽, 保证在恶劣的工业环境中正常工作;

(5) 高强度外壳, 防护等级高, 工业级标准设计;

(6) 支持简单网管协议, 可组建全局网管平台;

(7) 支持链路连接技术, 并具有环网冗余功能, 可快速组建以太网冗余环状拓扑结构;

(8) 具有先进的自愈功能, 当环网中某处出现故障时, 通讯数据能够快速切换到备用链路上, 保证网络通讯正常, 自愈时间目前最快已小于5MS。

本文正是利用上述的第7、8点功能特点来组建环网冗余网络。

2 工业以太网环网冗余拓扑结构方式

工业以太网环网冗余拓扑结构目前主要有以下三种结构, 实际使用时根据自身需求和条件选用:

2.1 单机单环

单机单环指网内的每一个站点只有一台工业冗余以太环网交换机。这种网络具有单一的冗余功能, 当交换机检测到网络中的某一处通道发生故障时, 网络会在极短时间内重新拓扑网络结构, 启用备份链路。传输线路可为光缆或电缆 (见图1)

这种网络拓扑结构只能形成单一的通道冗余, 如果在网络中的某一台交换机发生故障时, 则连接到这台交换机的设备将不能与其它交换机所连接的设备进行通信, 故此网络不适合非常重要的业务使用。

2.2 双机单环

双机单环指网内每一个站点配有两台工业冗余以太环网交换机, 每一个站点的设备同时连接着两台交换机, 两台交换机用光缆互连, 这样交换机就有了冗余功能, 如其中的一台交换机出现故障, 此站点的设备将通过另一台交换机通信。相比单机单环, 双机单环要比单机单环具有更高的安全可靠性。传输线路一般为光缆 (见图2) 。

2.3 双机双环

双机双环指在双机单环基础上, 每个站点的两台交换机通过两条光缆构成两个环路, 一条为主环, 另一条为备用环。网络正常时, 主环负责通信, 备用环则处热备状态, 但不转发数据。只有当主环的设备或两处以上的通道发生故障时, 才启用备用环工作。双机双环不仅有设备的冗余还有信道的冗余, 具有极高的安全保障。其传输线路也为光缆。 (见图3)

3 南防铁路环网冗余网络结构方案

南防铁路环网冗余网络系统结构主要由工业以太网交换机、协议转换器、SDH传输设备提供的2M通信通道组成。下面以沿线各站信号电源监控环网冗余网络通道结构示意图为例, 详述其环网冗余技术应用方案:

冗余环由若干工业以太网交换机按环形连接构成电缆口单机单环, 监控服务器位于钦州。每个站交换机均设两个成环网口, 成环网口工作于双向全双工模式。设定钦州站交换机为主交换机, 其中一个端口为主端口, 一个端口为热备份端口, 正常运行时由主端口组成主链路, 而备用端口处于热备份状态, 接收、处理数据包但不转发数据。沿线各站的交换机为从交换机, 不设主链路和备份链路, 但设上下行端口, 并侦听端口状态。环内各交换机通过2M通信通道互联, 相互通信, 传递数据检测包。钦州站主交换机会定期发送配置信息, 这种配置信息将会被环内所有的从交换机发送, 一旦网络结构发生变化, 网络状态将会重新配置。如上图中主用链路为钦州→马皇→大垌→吴圩, 备份链路为钦州→吴圩。如当马皇站至大垌站网络通信中断时, 两站的交换机无法通信, 马皇站交换机将断线信息发给钦州站主交换机。钦州交换机将启用备用链路钦州→吴圩→大垌, 并发送新的配置信息, 环内中所有其它交换机在收到新的配置信息后都广播新的配置信息报文。当马皇站与大垌站网络通信恢复时, 两站的交换机能互相通信后, 都向钦州中心站发出端口恢复的配置信息, 钦州交换机收到马皇站端口恢复的配置信息后, 恢复原来的配置信息并广播, 同时逻辑上关闭其备用链路, 恢复主链路由钦州→马皇→大垌→吴圩。由于网络自愈时间目前已达到MS级, 所以不会影响数据传输和设备的正常运行, 从而提高了通信的可靠性。

4 结语

光纤工业以太环网 篇6

关键词：工业以太环网,综合自动化,冗余,管控一体化

1 概述

高家梁煤矿为满足矿井安全生产的需要, 建立了生产自动化系统、工业电视监控系统、安全监测监控系统、束管监测系统、人员定位安全管理系统、通信系统等子系统, 以完成对矿井环境、设备和人员的有效监测、控制及调度管理。但是, 各子系统之间是相对独立的, 相互间数据不能共享, 不能深度挖掘各子系统数据的潜在意义, 不能整合、统计和分析各子系统的有效数据。为解决这一问题, 高家梁煤矿必须建设一套矿井综合自动化系统。

矿井综合自动化系统基于工业以太环网, 根据管控一体化思想, 利用现代控制技术、现代计算机技术、现代网络技术、现代通信技术和现代图形显示技术, 搭建矿井综合自动化系统网络平台。将煤矿工业的过程控制与企业管理有机地结合起来, 解决所有子系统传输物理通道和接入问题, 对各子系统进行数据采集、处理、存储、发布, 完成一个信息集中管控/网络发布平台。实现生产、管理等环节的信息交流和资源共享, 实现文字、数据、语言、视频、图像、图形等多媒体的传输和处理, 达到自动监控、监测和检测生产过程, 实现高层决策、管理和生产过程无缝连接, 全面提升矿井自动化水平, 并最终实现建立高产、高效的数字化矿井的目的。

2 矿井综合自动化系统网络结构

(1) 网络结构选择

工业以太网络有多种组网方式:星型、环型、双星型、双环型等。其优缺点如表1所示。

根据以上四种组网方式的对比, 最终确定矿井综合自动化系统的井上系统、井下系统都采用单环网络的方式组网, 并且井上系统、井下系统每个单环网络都连接到调度中心的核心设备上, 这样整体自动化工业以太环网就形成了以两台核心工业以太交换机、井下环网、井上环网组成的环型网络, 并且每个网络都是两条链路连接到核心网络交换机, 防止单点故障的出现。

工业以太环网结构采用STP (生成树) 技术组环相比, 在网络发生故障时, 自愈的时间更加迅速。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 (RSTP) 的计算方式, 一般需要几秒至几十秒, 同时在计算生成树的过程各链路处于完全断开状态。而工业以太冗余环网完成这个过程要小于500ms。

(2) 网络结构方案

高家梁煤矿综合自动化系统网络拓扑结构图, 如图1所示。

3 矿井综合自动化系统安全性设计

(1) 安全设备

在系统中使用Cisco ASA 5520网络安全自适应设备保障网络安全。该设备具有基于DMZ的IPS入侵监测功能, 通过安全设置, 可防御网络和应用层攻击、拒绝服务 (Do S) 攻击, 以及蠕虫、网络病毒。提供了先进、高性能的保护。

(2) 防病毒软件

在系统中配置一套网络版防病毒软件。在调度中心部署企业版防病毒系统, 在所有重要服务器、工控机及操作终端安装杀毒软件, 保证系统内部网络安全、稳定的运行。

(3) 数据存储与备份

设计在服务器配置高性能的RAID功能, 在RAID组内损坏一块硬盘不造成数据的丢失, 通过配置可以立即用热备盘替代损坏的磁盘, 从而提高数据存储的安全性、可靠性。

数据采集服务器 (SCADA) 设计了冗余配置, 数据分别存储在数倍数据采集服务器上, 提高保证数据存储的安全性和系统的安全。

4 矿井综合自动化系统可靠性设计

(1) 网络拓扑结构选用环网冗余技术。

(2) 选用工业级以太网络交换机。

(3) 系统配置两台SCADA数据采集服务器, 自动冗余切换。

(4) 系统配置在线式UPS电源, 提供两路供电, 提高系统供电可靠性。

5 监控软件设计

系统采用Wonderware公司的以Application Server产品为核心的System Platform工业套装软件, 其中包括了Application Server、In Touch、Industrial SQL Server以及Information Server等。

以Application Server为核心的两个Application Object Server构成实时数据服务器, 与操作员HMI (由In Touch构成) 共同构成高家梁矿井综合自动化监控系统。Wonderware有多种IOServer与各类PLC或RTU通信, 以获取来自硬件设备的数据。这两个Application Object Server还可组建灵活的冗余模式。

Industrial SQL Server作为整个系统的核心数据库, 能对过程数据实现高速的采集, 同时进行海量的存储。而且, Industrial SQL Server内嵌Microsoft SQL Server, 无需另外配置数据库软件系统, 就可实现信息和调度系统的关系数据库。这样, Industrial SQL Server就提供了包括监控历史数据库以及信息和调度系统关系数据库的整体解决方案。如果系统要求另外的商用数据库作为信息和调度系统数据库, Industrial SQL Server的基于标准的SQL访问和支持DTS服务的功能, 将非常方便地实现与信息调度系统的对接。

在操作员站, 同时设置In Touch的HMI终端, 可满足设备操作监控、历史数据库查询终端、信息和调度系统终端的多种需求, 成为通用的操作站。这样的配置, 不仅可以使操作标准化, 同时大大降低了系统成本。

同时配置Wonderware Information Server作为Web Server。不仅可以发布实时画面和数据, 还能发布历史数据, 现场报警, 来自调度信息系统数据库的任何信息, 成为一个综合自动化系统的生产管理Web站点。

6 矿井综合自动化系统功能

当系统实施后, 调度员可在调度监控中心终端上监控整个矿井生产过程, 完成对全矿生产及相关环节的“遥测、遥信和遥控”, 实现矿井的综合自动化。

具体功能如下:

(1) 实时运行参数监测

各监控子系统实时采集其生产工况参数并上传至生产调度指挥中心, 生产调度指挥中心操作员终端可以采用图形、报表的形式显示各监控子系统的实时工况及目前产量、仓储等, 并可打印, 以便于报表分析。

(2) 实时过程控制

各监控子系统分析采集的生产工况参数, 自动完成过程控制, 也可由生产调度指挥中心调度员远程操作控制。

各监控子系统具有集中连锁/就地解锁两种控制方式, 两种控制方式可实现无扰动转换, 集中控制用于生产, 就地控制用于检修、试车, 也是保证生产的最基本后备。

(3) 历史数据查询

监测数据存贮于历史数据库服务器中, 可实现历史回显、历史趋势分析、可显示直方图、柱状图、饼图等以便进行综合分析。

(4) 设备故障报警

设备故障时, 操作终端同步显示故障设备名称, 并可实现语音报警、实时打印故障功能。服务器将该故障信息存入故障信息数据库, 供以后统计分析。

(5) 优化生产计划

历史数据库服务器定时将生产、经营等数据存入数据库中, 制作计划、生产完成情况的趋势分析图表, 为今后的生产计划提供参考, 根据外运下达计划和设备实际状态, 合理安排生产计划、设备维修计划, 以最大限度的减少对生产外运的影响。

(6) 系统能够进行自身故障的在线诊断, 查找故障采用自诊断功能, 可诊断至模件级的故障。报警功能可使运行人员方便的辨别和解决各种问题。

(7) 对系统组态的修改在工程师站上进行, 系统能在线对系统的组态进行修改。系统内增加或变换一个测点, 不必重新编译整个系统的程序。本系统是采用统一的方式组态, 组态软件具备在线修改和下装组态数据的功能。所有的算法及系统的参数驻存在存储器内, 执行时不必重新装载。

(8) 操作员终端操作界面采用全中文环境, 提供多幅流程画面, 完整显示系统工艺过程, 包括系统的运行状态、测量参数、控制对象状态及成组参数, 提供实时报警记录和历史报警记录功能, 对各模拟量信号提供实时趋势图及历史趋势图显示;配有完整的在线帮助功能, 如操作帮助、故障提示等。

7 系统建成后效益分析

(1) 投资效益

◆节省传输通道 (光纤、通信设备等) 的重复投资费用和维护费用;

◆节省数据库、组态软件、软件开发等重复投资费用;

◆搭建统一的综合自动化系统网络平台, 一次投资, 长期受益。

(2) 安全效益

◆在地面集中监测监控, 井下减员, 减少井下人员伤亡的可能性;

◆改善工作环境, 提高安全系数, 保障职工人身安全;

◆数据共享, 报警联动, 减少由于矿井灾难所造成的损失。

(3) 人员效益

◆实现无人值守和定期巡检, 有效降低人员成本;

◆实现系统设备自动控制, 降低工人劳动强度;

◆减少岗位用工, 提高全员效率。

(4) 生产效益

◆减少人工操作失误, 延长设备使用寿命;

◆提高对设备的故障分析和判断能力, 减少停机事故;

◆加强对运输的调度和管理, 提高运输能力。

(5) 管理效益

◆为矿井自动化系统提供一个高速、安全、可靠的管理平台;

◆提高整体集成水平, 发挥自动化系统的综合管理效益;

◆实现煤矿管控一体化, 提高煤矿的安全生产管理调度水平。

参考文献

[1]阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M].北京:清华大学出版社, 2003.