煤矿工业以太网平台组网方式比较

煤矿工业以太网平台组网方式比较
1.概述
随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，对诸如图像、语音信号、视频信号等大数据量、高速率传输的要求大幅提高，传统的现场总线控制系统已无法满足工业生产需求，从而产生了工业以太网络组网技术，现阶段发展最为成熟的组网方式是工业以太环网，处于发展阶段的组网方式是EPON无源光网络以及双树冗余拓扑网络。

2.工业以太网
工业以太网技术是以IEEE802.3为技术基础，首先解决了数据传输的实时性、可靠性，其次解决了以太网不能组成快速冗余环型网络且不能快速收敛的问题，再次解决了商用以太网技术在恶劣的电磁、高温、高湿、爆炸等环境中长期使用丢包的难题。

工业以太网技术是以IEEE802.3标准全双工、线速转发的以太网技术为基础，其传输带宽由100Mit/s、1Git/s到10 Git/s，在任何状态下全线速转发不丢包。

同时，工业以太网技术还承继了以太网技术的VLAN技术、优先级技术、组播技术、广播风暴抑制技术等特点，在硬件技术上实现了设备的本质安全，低耗节能。

现阶段，工业以太网技术发展比较成熟，广泛应用于煤矿、铁路、电力等行业。

在煤矿行业，工业以太网技术可实现将整个矿井的主要生产单位地点构建到一个网络平台上，同时在环网网络的关键地点设置交换机，将附近的PLC等自动化设备接入到交换机上。

通过多台交换机在地面和井下形成环网，将地面和井下的各类信号统一传输到调度指挥中心。

3.EPON
以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network ， EPON）是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。

它在物理层采用了PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON 的拓扑结构实现了以太网的接入。

因此，它综合了PON技术和以太网技术的优点：低成本；高带宽；扩展性强，灵活快速的服务重组；与现有以太网的兼容性；方
便的管理等等。

EPON由光纤线路终端、光分配网络(ODN)和光网络单元组成，采用的是树形拓扑结构。

使用上行1310 nm和下行1490 nm波长传送数据和语音。

OLT放置在中心局端，分配和控制信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能。

ONU放置在用户侧，OLT与ONU间通过无源的光分配网络按照1:16/1:32/1:64方式连接。

由于最早的EPON标准基于100M快速以太网传送，市场上很多被称为EPON 的产品实际上都是基于百兆以太网PON技术，为区别于原有的技术和产品，一般基于千兆以太网的PON技术被称为GEPON，它根据IEEE802.3协议，包长可变至1518字节传送数据。

EPON自2005年在国内逐步推广，主要应用于广电、园区等民用环境，近几年工业环境也在推广。

4.双树冗余
双树冗余实际上为EPON技术的一种，应用于EPON系统。

目前树状网络结构在工业环境中仅仅应用与单个子系统，如井下无线通讯，不作为数据传输平台使用。

目前只有个别厂家研究此项技术且应用效果有待进一步提高。

井下双分光器做双树冗余，每个主基站都需要分别与两个分光器物理互联，工程布线较为复杂且不易维护，若存在更多的分光器基站，工程布线将更为复杂；双树冗余结构的接入设备依然为有源设备，所谓无源仅仅是指链路传输层面。

双树冗余作为传输平台级应用尚不成熟，未进入推广实施阶段，最主要的问题在于传输距离、冗余机制、与交换网络的兼容性等方面均有待改善，接入设备的端接的端口数量和类型需增加。

5.煤矿工业以太网络平台组网方式介绍
通过对工业以太环网、EPON和双树冗余三种组网方式的研究，在煤矿环境下，其自身优缺点可体现在以下几个方面：
（1）应用领域
目前EPON技术主要应用于电信市场，而且也属于一种新技术，如何进入市场和被市场所认可，取决于很多方面。

EPON产品在严格意义上还没有相应的国家标准或者行业标准来作为生产和应用的规范。

目前的应用范围很窄，在工业领域几乎没有应用业绩。

工业以太网交换机是基于成熟的以太网技术，专门针对工业自动化领域而设计和制造的，技术成熟，应用广泛，涉及工业自动化的各个领域，而且经过长期的现场使用来看，是目前最适合工业领域的网络通信产品。

（2）网络拓扑
EPON由光纤线路终端、光分配网络(ODN)和光网络单元组成，采用的是一点到多点的树形拓扑结构，网络结构较为单一，且暂不能实现链路冗余，当EPON 设备中的任何一部分发生故障，通讯就会中断。

而且由于技术特点限制，EPON 设备中光纤线路终端、光分配网络(ODN)和光网络单元都要遵循固定的布放原则，不能随意更改，布放方式不够灵活。

以太网交换机组网方式多样，总线型，星型，环型，双总线型，双星型，双环型拓扑，尤其在工业环境中经常使用到的环型和双环型网络拓扑，可以实现链路的冗余，保证多故障点的情况下通信不受影响。

（3）光纤传输距离
EPON设备光纤的最长传输距离为20KM，而目前工业以太网交换机光纤的传输距离可以达到100kM以上。

（4）节点间通信
EPON系统中的ONU节点之间是不能通信的，若需要两个节点之间通信，必须通过局端设备进行通信，目前对控制系统的实时性要求不能得到很好的保障。

工业以太网交换机组成的网络中，每个节点都是对等的，当网络中出现故障后，故障节点可以立即与两个相邻的节点进行实时通信，进行煤矿网络的系统隔离，并在几个毫秒内完成跳闸等命令的操作。

（5）数据传输模式
EPON技术只是物理层的传输，不能区分工业控制数据类型，EPON技术主要以下行数据为主，而煤矿自动化系统主要是上行数据。

工业以太网交换机可以根据报文类型进行带宽分配，可以有效的提升网络带宽的利用率。

并对各种类型的报文进行抑制。

如广播报文、单播报文、组播报文、未知源的报文等。

（6）传输带宽
EPON设备目前的传输带宽为上下行1.25G，而工业以太网已经推出了成熟的
光纤传输带宽为10G的工业以太网交换机，足以满足工业领域中数据量很大的核心层应用。

（7）网络管理
从网络管理角度来看，目前各厂家的网管软件都是基于SNMP协议的，EPON 的网管软件是否兼容网络里的交换机还需要测试才能得出结论，否则对于全网管理会存在问题。

（8）环境要求
无源光网络设备简单，安装维护费用低，投资相对也较小；无源光网络是光介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地区使用。

工业以太网设备现已通过防爆兼本安型认证，可满足煤矿井下环境使用需求。

（9）工业认证
目前大多数厂家的EPON设备使用在民用环境，并没有进行相关的工业认证，并不能满足在工业环境使用的性能及安全性要求。

（10）目前提出应用于工业环境的EPON设备国内只有一家，当设备出现问题后，没有替换厂家。

而且从使用上也存在很多不确定因素，从可靠性方面上来说，和工业以太网交换机差距较大。

6.结论
综上所述，煤矿工业以太网技术已经发展成熟，并通过煤安认证，适合在矿井上下不同环境需求下进行组网设计，并实现冗余功能，是现阶段煤矿工业控制网络的广泛采用的组网方式。

EPON以太网无源光网络结合了PON技术与以太网技术的特点，具有低成本、高带宽等技术优势，如能将自身的技术缺陷进行完善，技术协议标准化，并很好的满足工业标准及环境要求，成功试点并推广后也可作为煤矿工业生产传输平台的可选组网方式。

附件一：煤矿工业以太网络平台组网方式对比表。