矿井工业以太网系统设计

目录

第、章工业以太网系统平台架构 (1)

1.1工业以太网系统网络部分硬件架构 (1)

1.2井下网络设备供电及防爆设计说明（KJJ31） (9)

1.3主要设备技术性能介绍 (9)

第一章工业以太网系统平台架构

1.1 工业以太网系统网络部分硬件架构

1.1.1 网络部分（控制层）概述

XXX矿是一个高产高效的现代化矿井，为提高矿井的生产效率，对井下各个自动控制子系统等环节实施统一操作、集中监控、统一调度。XXX矿工业以太网系统，根据管控一体化思想，以三层网络为基础，结合自动化、信息、计算机、网络、通讯的新理论和技术，采用世界先进的自动化产品、网络产品和工业控制软件、数据库软件，将煤矿生产、管理的各个环节，统一在一个网络平台上，形成一个统一、完整的有机整体，使其在生产规模、系统结构、网络通讯、自动化覆盖范围方面处于世界先进水平。

XXX矿工业以太网控制网络系统的建设应遵循数字化、高速化、智能化、标准化、安全可靠、易扩充升级的原则进行设计，同时充分考虑公司信息化总体规划和XXX矿工业以太网控制系统网络建设的现状。

网络系统设计针对信息集成、结构分层、层间相对独立的原则，针对XXX矿的特点，网络系统的建设根据应用的不同层次，作如下设计：

➢信息管理层：建设信息管理网，采用标准TCP/IP协议和以太网技术。实现矿区各个管理部门的网络连接，实现人、财、物以及工程项目管理的信息化，

能对煤炭的生产状况进行实时监视,为管理决策提供依据。

➢矿井工业以太网层：建设工业以太网控制网，采用现场工业总线加以实现，实现将井上和井下区域控制器和设备监控站所采集的信息和控制信号传送

给有关系统。

➢设备控制层：在设备控制层主要是煤矿个专业控制子系统，本方案将针对XXX 矿的实际情况给出其中一些子系统的建议接入方案。

1.1.2 工业以太网网络部分设计原则

网络通信系统是现代化生产管理系统的信息基础设施，其可靠性和可扩展性对煤矿企业的安全生产至关重要，遵循以下的设计原则：

➢可靠性

煤矿行业的特点决定了网络系统必须具有很高的可靠性和可用性，在选型时考虑所选用技术的冗余性，出错处理和容错能力，同时所选的设备能适应井下恶劣的工作

环境并满足国家有关的防爆规范。

➢可扩展性

考虑到煤矿行业井下作业的特殊性，网络系统对系统规模的扩展能力要求较高，网络系统能随着矿井建设进程做到整体规划，分布实施，尤其是井下网络系统应在系统容量、节点规模、网络速率等方面具有较高的扩充性，可以方便地对原有网络系统进行节点或设备本身的扩充。

➢开放性

网络通信系统具有开放性，符合现有相应的国际标准和协议。同时提供开放的网络接口和数据接口，保证现有的各类产品以及未来出现的新产品能够协同运行，方便数据交换、信息共享。

➢可维护性

井下环境恶劣，为设备的维护保养带来较大困难。应提供有效的网络管理和系统监控、调试、诊断技术，保证系统维护管理简明、方便、有效。在设备发生故障时能够方便及时的发现故障、排除故障。

➢安全性

网络系统应具备较高的安全性，应具有防病毒与防黑客攻击的能力。

➢国家标准

硬件设备选型必须符合有关国家标准和行业标准，并通过国家技术监督局认定的检测机构的型式检验，用于爆炸环境的设备，还必须通过国家技术监督局认定的检测机构的防爆检验，并取得“防爆合格证”，下井设备还应取得国家安全局的“煤矿安全标志”，要充分考虑满足防爆、防尘、抗高温潮湿和电磁干扰的要求。

1.1.3 各种网络结构比较

目前，在控制层应用的网络结构主要有现场总线和工业以太网。现场总线是目前过程控制层中控制网络采用的主要技术，在过程控制层在用户有工业以太网需求的早期操作执行层（设备层）的网络主要采用现场总线，随着计算机网络技术的发展以太网逐渐在工业以太网系统中应用。两种技术的特性比较见下表：

现场总线与以太网特性比较

现场总线是在工业现场运行的、性能可靠的、造价低廉的通讯系统，能完成现场自动化设备之间的多点数字通讯，是目前自动化控制领域普遍采用的技术，随着用户对信息应用要求的不断提高，避免自动化系统成为“信息孤岛”，在商用计算机网络的技术、性能不能完全满足工业自动化要求的情况下，系统集成商普遍采用现场总线来完成信息的集成，但现场总线的多种技术标准并存、通讯协议间兼容性差、总线速率较低，使其在异构条件下建立应用网络比较困难。

当今信息技术飞速发展，企业迫切需要生产与管理间的无缝信息集成。目前现代以太网标准，如交换、全双工传输、实时数据的优先级、带宽由10Mb/s到100Mb/s 乃至1000Mb/s的升级，很好地解决了以太网存在的不确定性和实时性欠佳的问题，使生产监控信息在以太网中实时、安全、可靠的传输成为可能。此外，以太网所采用的IEEE802.3数据传输协议是一个开放的标准，已被自动化设备厂商和集成商广泛接受。

工业以太网有以下特点：

1.以太网是当今最流行应用最广泛的通讯网络，目前国际上著名的自动化产品供应商均推出了基于工业以太网的技术和产品。

2.易于与Internet、Intranet连接，可降低系统开发难度。

3.以太网克服了现场总线不能与计算机网络技术同步发展的弊病。

4.以太网技术的发展为通讯响应“确定性”提供了技术保障。

因此，本设计采用工业以太网作为操作执行层（设备层）的网络平台。

1.1.4 网络技术与产品选型

根据以上多种网络结构的比较，本方案拟采用基于以太网TCP/IP的工业以太网技术，传输介质采用层绞式矿用阻燃型光缆，网络结构采用基于光纤以太网的环形架

构。

1.1.5 （1）网络技术选型

现代的大型生产监控管理系统中往往使用到多家厂商提供的多种不同类型的设备，为了达到方便管理，保证系统运行稳定的目的，必须选择一个开放的通信平台，并将各种不同类型设备的通信统一到这一标准通信平台之上。为保证良好的兼容性和可扩充性，建议使用以太网TCP/IP技术作为整个系统的通信标准。如有其他类型的通信格式，如RS232，RS485或其他专用通信接口等等，均可通过协议网关转换为以太网信息包，在IP网络上进行传送。以太网TCP/IP技术具有以下的优势：➢随着企业的发展、各种新技术的应用，可以预见，对网络的带宽要求也会越来越高，比如基于网络的视频监控传输应用和井下设备信息数据采集等都需

要进行大量数据的传输。以太网技术具有相当高的数据传输速率(目前已有

成功案例应用于井下工业环境下的以太网交换机)，能提供足够的带宽；

➢能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；

➢支持交互式和开放的数据存取技术；

➢沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；

➢允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。

以太网早期存在不确定性和实时性能欠佳的问题，已通过智能交换机的使用、主动切换功能的实现、优先权的引入等，基本上得到了解决。通过提高数据传输速率，仔细地选择网络的拓扑结构、设置服务质量（QOS）等，从而保证数据传输的准确性和实时性。

因此，本方案选择工业以太网组网技术作为工业以太网控制网的技术选型。

1.1.6 （2）网络冗余方式选型

在工业以太网络中，由于目前的大型控制系统大多为分布式控制系统，因此，多采用总线结构或环形结构。为了进一步提高网络的可靠性，可以采用单环或双环、双星形、多总线网络结构实现网络冗余。

几种工业以太网结构的比较：