矿井综合信息化及自动化网络技术方案第一章 综合自动化监控网络平台1.1 概述随着工业以太网技术的不断完善与发展，工业以太网在工业自动化领域得到了越来越广泛的应用与认可。许多控制器、PLC、智能仪表、DCS系统已经带有以太网接口，这些都标志着工业以太网已经成为真正开放互连的工业网络的发展方向。采用基于工业以太网的集成式全分布控制系统，具有高度的分散性、实时性、可靠性、开放性和互操作性的特点。综合自动化监控网络平台把各个自动化子系统有机地整合在一起，所有的监测监控管理操作都在一个平台中运行，提高了矿井综合自动化水平，实现了减员增效和矿井机电设备的安全运行，提高了煤矿的生产效率。根据矿井综合自动化系统建设的需求，矿井综合自动化平台的主干网络结构采用1000M环形工业以太网，传输介质为单模光纤，采用工业以太网交换机进行数据交换。通过工业以太网连接井上、井下各个子系统，把所有系统设备控制和监控信息传输到集中控制室，通过服务器的数据采集，使工程师完成各个子系统的组态，达到监测和控制的目的。矿井综合自动化监控网络系统的建设内容包括：（1）工业以太环网建设，连接各个子系统的PLC或上位机；（2）调度控制指挥中心的网络建设，部署工业以太网的核心交换机并连接设备控制层的工业以太环网和数据采集服务器，部署操作员站和工程师站；（3）网络安全建设，划分VLAN，使矿井的综合自动化控制网络系统稳定、可靠、安全运行；（4）网络管理建设，建设综合自动化控制网络系统的网络管理平台，对所有工控网络设备、进行集中管理，提高管理水平，降低管理成本。1.2 设计原则自动化监控网络平台是煤矿现代化生产控制和管理信息系统的基础设施，其可靠性和可扩展性对煤矿企业的安全生产至关重要，必须遵循以下设计原则： 可靠性煤矿行业的特点决定了整个系统必须具有很高的可靠性，保障生产活动的正常进行和井下工作人员的生命安全。因此在选型时必须考虑所选技术在冗余、出错处理和容错方面的能力，所选产品能够适应井下恶劣的工作环境和防爆要求。 先进性与实用性相结合既要保证系统设计的先进性，又要保证系统设计的实用性。所选设备必须是成熟可靠、性价比高的产品，同时使用符合发展趋势的、具有良好发展前景的、先进的技术和设备，延长系统的使用寿命，提高系统的实用性。 可扩展性随着新技术的出现以及企业的不断发展，会对现有的系统提出更高的通信带宽需求。网络通信系统作为整个生产管理系统的基础，应在系统容量、处理能力等方面具有可扩充性，可以方便地进行产品的升级换代。 开放性网络通信系统应具有开放性，符合相应的国际标准和协议。同时提供开放的互连接口，保证现有的系统和新系统能够协同运行，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，本系统将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。 安全性系统的安全性包含了煤矿设备、网络及软件等多方面的内容。井下设备必须经过相关部门检测，取得合格证、防爆证、安标证；网络和软件必须配备完善的安全保密措施，以保证系统安全、稳定地运行，必要时可以牺牲一定的带宽或速度来保证安全性。对于一个工业系统来说，高安全性、高可靠性是设计的第一要素，任意时刻的系统故障都有可能给生产带来不可估量的损失，而且如何在开放的同时严格保证系统的安全性也是要充分考虑的，这些在追求统一、集成的今天显得尤为重要。 可管理性通过管理软件可以对IP与MAC地址捆绑、VLAN的划分，可以改变随意篡改IP地址的现象，同时可以侦测基于端口网络的异常流量。矿井综合自动化网络平台设计原则1.3 网络拓扑结构设计目前，采用以太网技术构建的大型控制系统大多为分布式控制系统。因此，多采用总线结构或星型结构设计，为了将矿井综合自动化控制网络系统设计的可靠性进一步提高，我们可以采用双星型、环型、双环形等组网技术。以下是几种典型的工业以太网结构的比较：（1）总线型组网拓扑结构在总线型组网拓扑结构下（可理解为星型结构），一个网络核心节点下联各个分节点，布线简单，管理方便，直接通过背板交换，交换速度快。主要在网络业务比较简单、可靠性要求不高的网络环境下组网，不适合于煤矿自动化网络多业务平台的需求。 工业总型组网结构（2）环型组网拓扑结构环形组网拓扑结构，属于分布式网络，各个网络节点串联成闭环结构，允许某一传输链路或网络节点出现一处断点。发生连路故障时，环网自动在一定时间内能切换到总线，属于简单而又实用的冗余组网方式，性价比高、可靠性较高。适合于煤矿多业务自动化网络平台，可以进一步提高网络的可靠性及安全性。 工业环型组网结构（3）双环型组网拓扑结构在双环形组网拓扑结构下，每个网络节点具有2套网络设备，各个节点串联成2套环网，冗余网络，允许交换机、两处光纤、网线（网卡）四种故障。是常用的高级工业冗余网络系统，主要用于电信核心级网络。在煤矿行业，同一井筒或巷道的双环型光缆敷设时，和单环网的可靠性一样，不适合煤矿的实际情况，且双环网布线复杂，如网络设备、网络光（电）缆、网卡均为双份，成本很非常高。 工业双环型组网结构根据以上三种组网结构的对比，设计矿井综合自动化内网中各骨干网络均采用单环网络的方式组网，保证整个自动化内网的可靠性及在突发情况下的生存能力。如果环网中某个交换设备或连接链路发生意外中断的情况，环网传输路径将选择反方向正常传输，传输路径倒换时间小于50ms，如图所示： 工业以太网单环网平台故障自愈根据矿井的实际生产现状，设计采用工业以太环网和环间耦合技术，地面各子系统、井下各子系统、集控中心网络设备分别组成1000M单环网络，地面环网、井下环网分别连接到集控中心的核心网络设备上，这样整体自动化工业以太环网就形成了以二台核心交换机（环网）、井下环网、地面环网组成的相互独立的环型网络，并且每个网络都是两条链路连接到核心环网设备上，防止单点故障的出现。整个系统由3个环网组成，其中井下及地面控制环网与控制中心环网之间构成千兆骨干网络，实现环网冗余的同时，又实现环网链路之间双链路耦合，网络现场设备层包括：工业电视监控系统、各自动化监测监控子系统的设备，形成了综合自动化控制内网的二级网络。在调度指挥控制中心布置两台支持三层动态路由功能的核心交换机。两台核心交换机启用VRRP协议实现冗余配置，为终端设备提供无缝隙的路由交换服务，两台交换机互为备份。在交换机正常时，两台交换机各自分担一部分数据流量；当其中一台交换机出现故障时,另一台交换机就会自动分担起所有数据流量,数据的传输不会受到任何的影响。这样，既达到了负载均衡，又实现了相互备份的目的。井下工业环网布置2台千兆防爆型工业以太网交换机，分别位于中央变电所和采区变电所；地面工业环网共配置2台千兆地面环网交换机，分别位于地面变电站和通风机房。其他地面监控以及辅助生产子系统就近接入地面环网交换机。调度指挥控制中心机房设备连接包括：数据采集服务器、实时/历史数据服务器、关系数据库服务器、WEB发布服务器、操作员站、工程师站、网络打印机、硬盘录像机等。多环网通信的冗余切换时间：由于采用了工业以太网顶级厂商的超级冗余环技术，使得多环网通信的故障切换时间得以保证，无论是骨干环网内部、二级环网内部还是多环之间的通信，故障切换时间均50ms。整体网络拓扑结构图如图所示：矿井自动化监控网络平台拓扑图1.4 网络设备选型1.4.1 工业级以太网交换机1）核心交换机核心环网交换机设置于集控中心机房，用于提供接入环网的上联，以及大量服务器及操作员站的接入，同时，核心网络通过安全措施与信息管理网络网互联。核心设备选用赫思曼MACH 4000系列全千兆工业以太网交换机。新一代的MACH 4000系列三层交换机专为满足骨干网络高速高负载传输音频、视频和控制数据的需要而设计，完全能够满足矿井煤矿所有自动化系统接入的需要及未来的业务扩展。设计核心环网采用2台赫思曼MACH 4000系列交换机中MACH 4002-24G-L3P全千兆交换机，MACH 4002-24G-L3P采用模块化设计，端口密度高，外观紧凑，在保持工业产品的高度灵活性和可靠性的同时提供了更为强大的处理能力。同时，L3P版的MACH 4000系列产品提供动态路由和多播路由，支持HIPER-Ring，Redundant Coupling等冗余机制、也满足GL认证及相关的抗冲击、抗振动标准。每台核心交换机技术参数： 4路SFP光纤100/1000M端口，20路10/100/1000M RJ45千兆电口； 软件版本为三层专业版； 配置双电源保护； 工作温度范围0度60度； 高集成设计，19寸机架安装； 安装、维护、维修简便； 符合相关工业标准； 高速环网冗余机制。技术特点： 故障自动恢复 网络故障时（如断线或交换机故障），网络重构时间小于50ms； 网络间冗余连接 任何拓扑结构的网段或环网都可通过两个交换机实现网络间的冗余连接； 快速网络故障定位和诊断 支持SNMP协议和基于WEB的管理，当网络发生故障后，可迅速发现故障，并实现故障的定位和诊断，为故障的快速排出提供了保障； 虚拟局域网技术 支持VLAN技术，通过将网络划分为几个虚拟的子网，有效地减轻网络负荷； 支持HIPER-Ring（超级冗余环）、Dual-Homing冗余连接； 采用无源背板，完全模块化的设计，基板、电源、风扇模块允许热插拔； 每块基板都是独立的交换引擎和独立的网管AGENT； 支持第三层交换和HIRRP快速路由切换； 基板配置灵活，能够安装多种传输速率的介质模块（包括10/100/1000Mbps的线速度）； 交换机还支持802.1Q，802.1D，802.1p，802.3x协议，支持端口聚集，端口镜像，多播（IGMP）、广播限制、VLAN、用户组管理以及全面的安全功能。2）地面环网节点交换机设计选用的MICE 4128-L2P模块化工业以太网交换机，保留了工业级设备高度的灵活性和可靠性，将大型以太网交换机各种功能融合在工业级的设计中，基于导轨方式安装并具有千兆以太网接口，提供了新的工业级冗余千兆骨干网络解决方案。MICE 4128-L2P设备配置： 高性能的模块化工业骨干路由交换机； 支持最多4个千兆端口； 支持最多28个FE端口，配置8个百兆以太网电口（可转换成RS-485接口）； 工作温度范围0度60度； 高集成设计，导轨安装； 安装、维护、维修简便； 符合相关工业标准； 高速环网冗余机制。技术特点： MICEModular Industrial Communication Equipment，即模块化工业通信设备，采用模块化结构，便于扩展、端口配置灵活； 采用导轨方式安装，无风扇散热方式，工作温度范围为060； 支持多种冗余机制，包括HIPER-Ring（超级冗余环），RSTP IEEE 802.1w（快速生成树），冗余环-环之间耦合，Dual Homing，双24VDC电源冗余，冗余状态信号输出，链路聚合（多达7个trunk，每个trunk允许8个端口，LACP）； 采用HIPER-Ring（超级冗余环）技术可以组建100Mbps/1000Mbps快速自愈环网，环上最多可串接50台交换机，并允许光纤和双绞线等多种介质，当发生链路断点时，环网可以在瞬间自愈，并在500毫秒内恢复正常工作； 管理方式包括串口、基于WEB的网管