龙煤集团双鸭山分公司东荣三矿工业以太环网系统技 术 方 案龙煤集团双鸭山分公司东荣三矿天地（常州）自动化股份有限公司 2011年11月7目 录第1章 东荣三矿矿井基于工业以太环网21.1 概述21.2 控制层网络设备的技术与产品选型21.2.1 技术选择21.2.2 网络产品的选型31.3 东荣三矿冗余工业以太网网络设计41.3.1 综述41.3.2 东荣三矿工业以太网的特点及安全要求41.3.3 东荣三矿矿井不间断电源设计41.4 交换机布置方案介绍51.4.1 网络配置51.4.2 调度中心机房61.4.3 光纤传输的建议71.4.4井下网络设备供电及防爆设计说明（KJJ58）71.5 主要网络产品介绍81.5.1 EDS-510A-3SFP千兆环网交换机81.5.2 PT7828核心交换机81.5.3 网络管理软件9第1章 东荣三矿矿井基于工业以太环网1.1 概述东荣三矿是基本实现机械化生产，具有复杂生产系统的矿井，为提高矿井的生产效率，对矿井综采工作面、顺槽胶带、主运输系统、通风机房、井下变电所、井底变电所等环节实施统一操作、集中监控、统一调度。东荣三矿煤业矿井综合系统，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，使其在系统结构、网络通讯、自动化覆盖范围方面处于同类矿井的领先水平。对于东荣三矿矿区工业综合自动化平台网络系统，在井上和井下各设置独立的环网，主链路采用千兆光纤。在核心层采用千兆工业以太网技术，通过千兆链路将各环网的交换设备连接到网络系统的核心层次，同时具备高冗余性能。 各环网结点主要是连接结点交换机附近的工业设备，以达到控制和信息采集的目的信息层：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综合自动化，能对煤炭的生产状况进行实时监视,为管理决策提供依据。 控制层：建设综合自动化控制网，采用工业以太环网+现场工业总线来实现，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。 设备层：在设备控制层主要是煤矿各专业控制子系统。1.2 控制层网络设备的技术与产品选型本方案将采用基于以太网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工业以太网的环形架构。1.2.1 技术选择现代煤矿的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环网组网技术作为综合自动化控制网的技术选型。1.2.2 网络产品的选型由于工业环境（如煤矿等行业）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工业环境的要求，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，本方案采用磨莎（MOXA）公司的工业以太网交换机系列。MOXA产品特点：1、 独一无二的工业级核心交换机，带宽千兆级别可承上启下，无信息传输瓶颈。2、 可以建立多环，系统带宽随环数倍数增加，方便扩容。3、 交换机电磁兼容性、工作温度、平均工作时间等指标是其他设备无法达到的。1.3 东荣三矿冗余工业以太网网络设计1.3.1 综述随着网络化、综合自动化概念向自动化领域的不断渗透，自动化控制理念和技术也在不断发展。在上世纪末新型的现场总线控制系统突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统实现所造成的缺陷，试图将基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案。此后，上位机、PLC和现场总线构成的集散监控系统逐步成为自动化的主流。但由于不同行业不同应用派生出的不同的总线系统，加之经济利益的冲突，各种不同的现场总线标准之间的互不兼容严重束缚了不同厂商设备之间的互连，使得现场总线成为受厂商限制的专用网络。而随着以太网技术的不断发展，它不仅在办公自动化领域而且在工业自动化场合得到了广泛应用，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。采用的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，因此，本方案采用工业以太网技术进行工业以太网的设计。1.3.2 东荣三矿工业以太网的特点及安全要求虽然脱胎于Intranet、Internet等类型的信息网络，但是工业以太网是面向生产过程，对实时性、可靠性、安全性和数据完整性有很高的要求。（1）工业以太网是一个网络控制系统，实时性要求高，网络传输要有确定性。（2）整个企业网络按功能可分为处于管理层的通用以太网和处于监控层的工业以太网以及现场设备层（如现场总线）。管理层通用以太网可以与控制层的工业以太网交换数据，上下网段采用相同协议自由通信。（3）工业以太网中周期与非周期信息同时存在，各自有不同的要求。周期信息的传输通常具有顺序性要求，而非周期信息有优先级要求，如报警信息是需要立即响应的。（4）工业以太网要为紧要任务提供最低限度的性能保证服务，同时也要为非紧要任务提供尽力服务，所以工业以太网同时具有实时协议也具有非实时协议。1.3.3 东荣三矿矿井不间断电源设计本方案矿井的不间断电源设计包括矿井主机房不间断电源和传输通道的不间断电源分两部分：矿井主机房布置工业层核心交换机、数字矩阵等重要设备，它是矿井信息“大脑”，因此机房不间断电源设计是必不可少。本次机房设计配置了山特6KV/4H的不间断电源为机房动力提供有力保障。在传输通道的设计中均配置了后备不间断电源，在地面环网交换机和井下环网交换机交流供电系统掉电情况下可工作小时。1.4 交换机布置方案介绍根据系统要求和我公司多年来从事工业网络建设的经验，特提供东荣三矿矿区千兆工业网络设计方案如下：本期项目中工业网络划分为井上和井下两个环网，环网之间相互独立，都直接连接到核心交换机，核心交换机互相冗余，并通过工业防火墙连接到企业信息网。各环网结点交换机及中心机房配置不间断电源。在东荣三矿地面建设一个千兆环网，配置地面核心交换机2台,采用MOXA IKS G6824工业以太网交换机、地面安装5个千兆地面节点交换机及井下安装6个千兆节点交换机。MOXA IKS G6824核心交换机安装在东荣三矿调度室机房；磨莎的专业网络交换机监控软件1套，用来监视和控制整个系统中的赫思曼工业以太网交换机。网络中所有交换机都具备两个全双工光纤端口，一个连接上级交换机，一个用于连接下级交换机，构成一个完整的光纤环路。当其中某一段工作中的光纤线路被破坏或相应的网络设备发生故障时，整个网络会自愈，并在300ms内恢复正常的通讯，这样就构成三级冗余。1.4.1 网络配置东荣三矿矿井地域分布较广，现场控制点的数量多且相对分散。因此综合自动化控制网按区域、节点数量、规模划分为2个子环网，一般出现在地面比较固定而又离散的系统为了节约成本，将利用星型结构接入子环，在子网星型中采用配备的工业以太网交换机，加强系统的稳定性，总的网络拓扑是环网为主星型结构。考虑到地域的分布以及应用的需求，为方便未来煤矿系统生产扩大，两个环网中每个环网可以相对独立组成单环，同时2个小规模的环网通过中央设备监控机房的核心交换机进行汇聚，并通过核心交换机实现不同的环间的数据通信。2个子环包括范围如下： 井下环网包括范围： 中央变电所、东八采区变电所、东十采区变电所、东九采区变电所、东二采区变电所及东三采区变电所；井下环网共设置6台防爆环网交换机。 井上环网包括范围：副井绞车房控制室、主井绞车房控制室、地面变电所控制室、抽风机房控制室及压风机房控制室；地面环网共设5台交换机和2台核心交换机。东荣三矿矿井上下千兆冗余工业以太网网络构架如下图所示：1.4.2 调度中心机房根据东荣三矿机房建设的需要及保证工业以太环网系统安全运行，设计在机房采用6KVA/4H的不间断供电后备电源系统，使供电系统能够保证外部停电情况下不影响调度中心机房设备的正常运行，为系统的稳定可靠运行提供了强有力的保障。调度中心机房设备布置图调度中心机房设备示意图1.4.3 综合自动化工业控制网综述综合自动化控制网按照网络节点与网络应用不同，分为中央网络与接入环网两部分。中央网络核心设备与同机房的环网接入设备互连，以保证不同环网之间的数据的传输。地面和井下2个环网采用单环单节点冗余方式组网。2个环网选择的理由如下：目前东荣三矿建立工业以太网络，首先2个环的冗余度增加了一倍，这样地面和井下的系统各自冗余形成一个环，同时选用两台EDS-510A-3SFP交换机分别和环中两个节点连接，虽然在增加了两个交换机的光模块，但是更能体现我们设计的三层冗余，同时又体现我们的设计思想高可靠性。根据东荣三矿矿井地下煤炭资源探察分布情况，以及地下主巷道设计、采掘面分布设计等方案设计有关资料，确定东荣三矿矿井建设初期和未来发展趋势的网络架构，考虑目前井下只有一个高产高效工作面的预案，井下暂定为一个环网。所以目前确定2个环。网络设计优点：从自动化设计的原则来讲，地面子系统分为非常重要和次重要场所，我们将按照地理位置走线方式，采用5台环网交换机组成千兆主干网络，在主干网络中我们采用了百兆工业以太网交换机做主干网络的星型分支网络，这样可以全面覆盖整个矿井地面系统。这一点体现我们的设计原则合理性与经济性。选用了2台IKS-G6824核心交换机和井上、井下相互连通，整个环网冗余度增加一倍以上，其中有路由模块，对整个生产网络来说进一步加强网络安全管理。井上副井绞车房、主机绞车房采用了四个千兆模块，两个用于环网冗余，两个和核心交换机相连。这一点体现我们的设计原则安全性。井下总共6台环网交换机，在设计中一直考虑到了模块的余量方便其他系统以后的接入，突出的是方案的完整性。其中中央变电所和东二采区变电所，采用的三个千兆模块，两个用于环网冗余，两个和核心交换机相连