煤矿综合自动化系统方案.docx
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煤矿综合自动化系统方案
工业以太网及综合自动化
技术文档
1.工业以太网在工业综合自动化系统中应用及前景
1.1.工业以太网技术发展现状
工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容。
产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面能满足工业现场的需要。
EtherNet过去被认为是一种“非确定性”的网络，作为信息技术的基础，是为IT领域应用而开发的，在工业控制领域只能得到有限应用，这是由于：
（1）EtherNet的介质访问控制（MAC）层协议采用带碰撞检测的载波侦听多址访问（CSMA/CD）方式，当网络负荷较重时，网络的确定性不能满足工业控制的实时性要求；
（2）EtherNet所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境要求；
（3）在工厂环境中，EtherNet抗干扰（EMI）性能较差，若用于危险场合，以太网不具备本质安全性能；
（4）EtherNet不能通过信号线向现场设备供电问题。
随着互联网技术的发展与普及推广，EtherNet传输速率的提高和EtherNet交换技术的发展，上述问题在工业以太网中正在迅速得到解决，并使EtherNet全面应用于工业控制领域成为可能。
目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面：
1.1.1.通信确定性与实时性
工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够快和满足信号的确定性。
实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。
由于EtherNet采用CSMA/CD方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为“非确定性”的网络。
然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。
首先，EtherNet的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降。
其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。
EtherNet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。
再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。
因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），因此使EtherNet通信确定性和实时性大大提高。
1.1.2.稳定性与可靠性
传统的EtherNet并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境的适应性需要。
由于工业现场的机械、气候、尘埃等条件非常恶劣，因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。
在工厂环境中，工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性及可维护性。
为了解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，德国Hirschmann、美国卓越TSC等公司专门开发和生产了工业以太网交换机等产品，安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电。
1.1.3.安全性
工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。
工业以太网可以将企业传统的三层网络系统，即信息管理层、过程监控层、现场设备层，合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，并可与Internet无缝集成，实现数据的共享，提高工厂的运作效率。
但同时也引人了一系列的网络安全向题，工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。
一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。
1.1.4.总线供电问题
总线供电（或称总线馈电）是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号，还能给现场设备提供工作电源。
对于现场设备供电可以采取以下方法：
（1）在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离开来。
（2）不改变目前物理层的结构，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。
1.2.工业以太网的优势
1.2.1.应用广泛
以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如VisualC＋＋、Java、VisualBasic等都支持以太网的应用开发。
1.2.2.通信速率高
目前，10、100Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s。
显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。
1.2.3.成本低廉
以太网网卡的价格较之现场总线网卡要便宜得多（约为1/10）；另外，以太网已经应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多经验，具有相当成熟的技术。
大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。
1.2.4.资源共享能力强
随着Internet/Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联人互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。
1.2.5.可持续发展潜力大
以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投入，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。
同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。
1.3.工业以太网在控制领域应用现状
工业以太网与现场总线相比，它能提供一个开放的标准，是企业从现场控制到管理层实现全面的无缝的信息集成，解决了由于协议上的不同导致的“自动化孤岛”问题，但从目前的发展看，工业以太网在控制领域的应用主要体现在以下几种形式。
1.3.1.混合EtherNet/Fieldbus的网络结构
这种结构实际上就是信息网络和控制网络的一种典型的集成形式。
以太网正在逐步向现场设备级深入发展，并尽可能的和其他网络形式走向融合，但以太网和TCP/IP原本不是面向控制领域的，在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件、实验环境等诸多方面并不成熟，而现场总线能完全满足现代企业对底层控制网络的基本要求，实现真正的全分布式系统。
因此，在企业信息层采用以太网，而在底层设备级采用现场总线，通过通信控制器实现两者的信息交换。
1.3.2.基于Web的网络监控平台
嵌人式以太网是最近网络应用热点，就是通过Internet使所有连接网络的设备彼此互通，从计算机、PDA、通信设备到仪器仪表、家用电器等。
在企业内部，可以利用企业信息网络，进行工厂实时运行数据的发布和显示，管理者通过Web浏览器对现场工况进行实时远程监控、远程设备调试和远程设备故障诊断和处理。
实现的最简单办法就是采用独立的以太网控制器，连接具有TCP/IP界面的控制主机以及具有RS-232或RS-4.85接口的现场设备。
以太网控制器在这里扮演了通用计算机网络和现场各类设备之间的一个桥梁。
1.4.工业以太网技术的发展趋势与前景
由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。
从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在制造执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。
未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。
总的来说，工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面：
1.4.1.工业以太网与现场总线相结合
工业以太网技术的研究还只是近几年才引起国内外工控专家的关注。
而现场总线经过十几年的发展，在技术上日渐成熟，在市场上也开始了全面推广，并且形成了一定的市场。
就目前而言，全面代替现场总线还存在一些问题，需要进一步深入研究基于工业以太网的全新控制系统体系结构，开发出基于工业以太网的系列产品。
因此，近一段时间内，工业以太网技术的发展将与现场总线相结合，具体表现在：
（1）物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等；
（2）使用标准以太网连接设备（如交换机等），在工业现场使用工业以太网交换机；
（3）采用IEEE802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组；
（4）应用层（甚至是用户层）采用现场总线的应用层、用户层协议；
（5）兼容现有成熟的传统控制系统，如DCS、PLC等；
1.4.2.工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋
随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展，为以太网的通信确定性的解决提供了技术基础，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间通信的主要障碍，为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。
为此，国际电工委员会IEC正着手起草实时以太网（Real-timeEtherNet,RTE）标准，旨在推动以太网技术在工业控制领域的全面应用。
针对这种形势，以浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、清华大学、大连理工大学、重庆邮电学院等单位，在国家“863”计划的支持下，开展了EPA（EtherNetforPlantAutomation）技术的研究，重点是研究以太网技术应用于工业控制现场设备间通信的关键技术，通过研究和攻关，取得了以下成果：
（1）以太网应用于现场设备间通信的关键技术获得重大突破。
针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求，经过认真细致的调研和分析，采用以下技术基本解决了以太网应用于现场设备间通信的关键技术：
①实时通信技术
其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。
②总线供电技术
采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。
③远距离传输技术
采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。
④网络安全技术
采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。
⑤可靠性技术
采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，提高基于以太网技术的现场设备可靠性，经实验室EMC测试，设备可靠性符合工业现场控制要求。
（2）起草了EPA国家标准。
以工业现场设备间通信为目标，以工业控制工程师（包括开发和应用）为使用对象，基于以太网、无线局域网、蓝牙技术+TCP/IP协议，起草了“用于工业测量与控制系统的EPA系统结构和通信标准”（草案），并通过了由TC124组织的技术评审。
（3）开发基于以太网的现场总线控制设备及相关软件原型样机，并在化工生产装置上成功应用。
针对工业现场控制应用的特点，通过采用软、硬件抗干扰、EMC设计措施，开发出了基于以太网技术的现场控制设备，主要包括：
基于以太网的现场设备通信模块、变送器、执行机构、数据采集器、软PLC等成果等。
在此基础上开发的基于EPA的分布式网络控制系统在杭州某化工厂的联碱碳化装置上成功应用，该系统自2003年4月投运一直稳定运行至今。
（4）北京合成网络技术有限公司为使国内工业以太网技术迅速与国际水平接轨，斥资推出了“工业以太网工程师认证（IEEC）”课程，并相继推出提高班课程，供国内广大工业自动化领域的工程师及工程管理人员学习提高。
1.5.发展前景
据美国权威调查机构ARC（AutomationResearchCompany）报告指出，今后EtherNet不仅继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场，也必将领导未来现场总线的发展，EtherNet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的基础协议。
美国VDC（VentureDevelopmentCorp.）调查报告也指出，EtherNet在工业控制领域中的应用将越来越广泛，市场占有率的增长也越来越快，将从2000年的11%增加到2005年的23%。
由于以太网有“一网到底”的美誉，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案，工业以太网已成为现场总线中的主流技术。
目前，在国际上有多个组织从事工业以太网的标准化工作，2001年9月，我国科技部发布了基于高速以太网技术的现场总线设备研究项目，其目标是：
攻克应用于工业控制现场的高速以太网的关键技术，其中包括解决以太网通信的实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问题，同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络化控制系统和系统软件。
2.系统概述
2.1.设计目标
应用计算机技术、网络技术、信息技术、控制技术、智能技术、和煤矿生产工艺技术，实现企业的经营、生产决策、安全生产管理和设备控制等信息的有机集成。
应用计算机技术、网络和自动控制技术实现在矿调度指挥中心监测井下环境参数，集中控制井上、下机电设备，减少井下作业人数，达到减人增效和提高矿井安全水平的目的。
通过应用软件，实现生产计划、生产安全调度、生产过程控制最优化。
并能实现对关键设备的状态监测和故障分析。
保证煤矿生产安全，提高产量和质量，提高企业经济效益和竞争能力。
利用先进的技术和合理的方案，使系统具有良好的性价比。
系统建设完成后应能够使煤矿井上下各生产环节的生产工况信息和视频信息在一个统一软件平台上运行，在异构条件下进行联通与共享，能够使不同功能的应用系统联系起来，协调有序运行，使各自独立的监控系统信息实现共享。
系统建设完成后能够对全矿井安全、生产的主要环节进行实时监测、监视和必要的控制，实现全矿井的数据采集、生产调度、决策指挥的信息化、科学化，为矿井安全生产、有效预防和及时处理各种突发事故和自然灾害，提供有效手段，为企业信息化的应用和发展奠定基础。
最终建成国内领先、国际先进的矿井综合自动化系统。
2.2.技术概述
矿井综合软件平台的主干网结构采用环形1000M工业以太网，主干网传输介质为光纤，采用工业以太网交换机进行数据交换。
矿井监控信息子网运行在一个相对独立的网段中，通过物理隔离设备和硬件防火墙与矿局域网（也即是信息网络）隔离。
矿井自动化控制系统主控设备设于调度控制中心。
矿井综合信息化软件平台将各子系统监控数据运用统一的通信协议格式，多种接口方式，采集、处理、汇总，构成统一的数据存取模式，对监控数据采用组态方法，为矿井生产调度用户创建形象、直观的生产动态监视画面，实时显示矿井生产工况和环境监测数据，同时支持数据WEB方式浏览，通过网络方便矿领导和各生产职能部门随时掌握矿井生产动态和安全状况。
也可以通过网络接入到公司信息网，供公司领导查询。
当然工程师也可以在专用工作台上通过切换的方式，对各个系统进行维护。
矿井综合信息化软件平台的建立为矿井安全生产调度、实时监控提供高效、畅通的信息和公共服务环境。
为各级领导及各相关职能部门提供及时、准确的决策信息，从而提高综合管理水平。
为全矿井的安全生产管理提供基础数据。
3.综合自动化网络系统
3.1.系统介绍
综合自动化网络系统工业以太网、光纤通信等先进技术，在环境恶劣、人员设备分散、有特殊安装要求的煤矿构建一个符合防爆要求的井下1000Mbps高速互联网，系统的核心是在煤矿井下建立具有开放协议的工业数字网络系统，传输安全监测、监控、语音、视频图像信息，为煤矿的综合自动化提供可靠的高速信息平台，对煤矿安全生产、减人提效和科学管理有重要意义。
根据“管控一体化”的思想，本方案采用了光纤以太网技术和三层网络结构，结合自动化、信息、计算机、网络、通讯的新理论和新技术，利用世界先进实用的自动化产品、网络产品和工业控制软件、数据库软件，使矿井在“采、掘、运、风、水、电、安全”等生产环节全面实现信息化，并将已建、将建的煤炭生产、管理的各个环节的自动化、信息化系统，统一集成在一个骨干光纤软件平台上，形成统一、完整的有机整体，简洁的网络结构加之国际标准的以太网协议，使得整个网络维护管理和升级低成本、简单、高效和可靠。
3.2.总体网络架构
煤矿综合自动化网络系统包括井下网络和井上网络两部分，均为环型工业以太网，通过两台核心交换机连接起来。
环型以太网为1000M工业以太网，作为全矿主干网，为全矿各个子系统提供方便灵活的工业以太网接口，地面、井下子系统均可以方便接入。
煤矿信息化工业以太网，采用环型结构，以保证系统的高可靠性。
如果在使用过程中有光纤网络断开，网络也能照常工作，而且系统能及时诊断出故障点以便维修。
3.3.地面网络部分
地面1000M工业以太环网由工业级交换机组成，各子系统接入附近的交换机。
对于以后扩展的系统可以通过相关的接口模块和交换机接入到系统中。
地面主网络通过地面网关交换机接入调度指挥控制中心网络。
3.4.井下网络部分
井下千兆以太环网也是通过地面网关交换机接入调度指挥控制中心。
井下设计以工业以太网光纤环网为主要控制网络，通过井下防爆交换机形成千兆以太环网，构成井下安全、生产过程控制自动化的统一的软件平台。
3.5.系统结构
系统分为三个网络层次：
设备层、控制层及信息层
●设备层：
将底层设备直接联结到煤矿井下的各种控制器上，采用智能化的接口设备，降低成本，方便安装，并可实现快速故障诊断；
●控制层：
将I/0网络功能和对等信息传输网络结合起来，实现具有I/0控制、闭锁和报文传送，保证信息的实时性和确定性；
●信息层：
采用Ethernet,通过TCP/IP协议，将可编程控制器、网关、人机接口和控制软件连接至企业的信息系统。
3.6.系统功能
●利用光纤通信技术和宽带计算机网络技术传输井上、下各主要环节设备的工业电视图像和其他数据信息；
●通过嵌入式Internet接口连接各种监测系统，可处理数据、语音、视频、图形等各种多媒体信息；
●通过智能接口与井下监测监控系统、矿井自动化系统、工业电视系统等连接，实现井上/下交互式的多媒体网络；矿领导和调度室不仅可以看到监测监控系统传上来的各种参数和图表、图形等，还可以交互式地任意观察相应的工业电视画面。
3.7.系统特点
采用工业以太网加现场总线、环网冗余技术；支持异构系统的互联互通；支持SNMP网络管理软件控制，可以方便地监测整个网络的运行情况，查找故障点，并能提供自动报警；支持TRUNKING（链路聚合）协议，可以将多个网络通道绑定为一条逻辑链路，提高了通信带宽，也提供了链路的冗余，容易升级。
4.子系统接入
过程控制网络与操作执行层（设备层）网络间的集成主要是实现网络间信息交换与信息共享。
根据目前设备、技术的情况和未来技术发展的方向，信息的集成主要有两种方式：
4.1.与子系统控制器联接
对于采用PLC控制的子系统（通风机、压风机等），操作员服务器通过以太环网与PLC的以太网接口相连，而该PLC的OPCServer安装在操作员服务器中。
该联接方式须具备两个条件：
一是该PLC具有以太网通讯模块并留有备用接口或可插入以太网通讯模块，二是子系统的控制接口程序在PLC中，而不是在其上位机中，并且配套厂家提供PLC的OPCServer软件。
4.2.与子系统主机相连
对于煤矿专业性较强的子系统（选煤厂、主提升机系统等）管控服务器通过以太环网（具备OPC/DDE/FTP接口协议或其他开放协议）或232/485总线（具备专用通讯协议）与该类型的子系统主机相联。
该联接方式须具备两个条件：
一是该上位机具有以太网通讯接口卡或其他通讯口；二是配套厂家提供统一格式（集成商提供格式）的0PC/DDE（专用通讯协议）等方式通讯的设备类型配置表。
4.3.可接入的子系统列表
●电力调度子系统
●压风机子系统
●锅炉房子系统
●中央回风井通风机子系统
●副井提升子系统
●主井提升子系统
●矿井选煤厂系统
●井下主排水系统、井下供电系统
●供水系统
●井下运输胶带机集中控制系统
●考勤、人员定位和无线通讯系统
●地磅秤重系统
●安全监控系统
●工作面现状和矿压监测系统
●井下辅助运输系统
●采煤工作面自动化系统
●矿用人员安全检测系统
●矿井通风网络及监测和防尘系统
●矿井瓦斯抽放系统
●降温系统
●矿井灌浆注氮及防灭火系统
●地面消防监控系统
●日用消防水子系统
●矿井水及生活污水处理及排放系统
●通讯系统（行政管理通讯、生产调度通讯、电力调度通讯、防火灌浆通讯）
5.综合自动化软件平台特点
5.1.系统概述
在整个的信息系统中，可以分成两个层面，人机界面监控（HMI）和生产管理（MES），分别完成对生产的监控和管理。
在整个信息系统中，所有的软件系统都是采用统一的集成架构平台。
5.2.统一的集成架构平台
5.2.1.统一的集成架构平台的特点
●统一通信与协作,统一的实时数据获取模式,统一的安全、审计管理机制
●使用通用接口发布数据（HTML/XML/COM/DCOM）.提供与企业其他系统的集成接口
●灵活的系统架构，子系统的灵活部署，每个子系统既可独立工作也可以方便地进行集成
●更高效的系统组态
●为控制系统及生产管理系统提供核心服务
5.2.2.统一的集成架构平台的优点
●降低整合软件系统的成本
基于集成架构技术的产品，采用一次配置，全局有效的策略，从生产控制系统到信息系统，采用统一的标签和数据格式，使软件整合的成本大大降低，并提高了系统的稳定性和可维护性
●为企业级应用程序提供可靠的网关
集成架构使得企业级的应用系统（ERP,SCM）与下层共享数据之间的通信更加方便，因为所有的公司数据以相同的格式呈现，集成架构使得信息系统的设计操作和维护具有更高的可扩展形和一致性。
5.2.3.人机界面监控（HMI）
人机界面监控HMI系统应具有的特性
●分布式,可扩展C/S结构
●服务器支持冗余：
所有的冗余服务器均对系统内的所有客户端有效，客户端不需做任何配置。
●支持数据源服务器冗余
●支持远程、多用户组态
●图形和Web发布页面编辑共用的开发环境,显著减少开发时间和节省开发成本
●支持在线修改系统（画面,历史库定义）
●数据标签可直接引用，用户不用重复在HMI中建点
●具备广泛的开放性，支持OPC，DDE，ODBC，SDKToolkit
5.3.生产管理（MES）
生产管理（MES）系统：
基于以太网信息网络，与底层生产自动化系统连接，并连接办公网络，对设备数据和控制数据做出全面的信息分析。
其中包括下面几个主要的软件部分：
与控制系统通信，采集基础自动化系统数据；使用历史数据分析工具完成对生产的管理；设备效能分析；设备监控软件完成对设备故障的分析；能源管理系统完成电
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