矿井工业以太网系统设计.docx
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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
工业以太网系统网络部分硬件架构
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：
Ø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。
Ø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。
Ø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。
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：
Ø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。
Ø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。
Ø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。
Ø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。
Ø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。
Ø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。
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
序号
特性
现场总线
以太网
1
监视与控制能力
强
较强
2
可靠性与故障容限
高
高
3
实时响应
快
中
4
信息报文长度
短
长
5
体系结构与协议复杂性
低
中、高
6
通讯功能级别
中级
大范围
7
通讯速率
低、中
高
8
抗干扰能力
强
中
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。
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）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：
Ø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；
Ø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；
Ø支持交互式和开放的数据存取技术；
Ø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；
Ø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。
（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：
星形
环形
双星形
双环形
网络拓扑描述
一个网络核心节点下联各个分节点
各个网络节点串联成闭环结构
双核心、双接入节点，接入节点分别连接到核心节点，形成2套网络
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
优点
布线简单，管理方便，直接通过背板交换，交换速度快。
分布式网络，允许光纤出现一处断点。
发生连路故障时，网络自动在20MS之内切换到总线。
冗余网络，允许交换机、光纤、网线（网卡）三种故障，直接通过背板交换，交换速度快。
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。
缺点
没有冗余，且中央交换机分险过于集中。
属于简单冗余，当某一交换机发生故障时，会导致单点网络故障。
布线复杂，所有网络设备、网络光（电）缆、网卡均为双份，成本高。
冗余实际上是通过软件编程实现的，因此切换时间与程序编制有较大关系。
布线较双星形简单，其他成本，如网络设备、网络光（电）缆、网卡均为双份，与双星形一样。
成本
低
最低
最高
高
冗余时间
<20ms
取决于软件
链路故障恢复<20ms，其他故障取决于软件
同采用STP（生成树）技术组环相比，由于生成树技术需要所有交换机必须根据相应的计算方式寻找逻辑树。
故采用快速生成树的计算机方式，一般需要几秒至几十秒。
同时在计算机生成树的过程各连路处于完全断开状态。
MOXA的超级环网（TUBOR-Ring）仅仅在切换中已传递的数据延迟20ms而已，没有数据丢失的问题。
选择单环单节点冗余网络是基于对现场各个控制系统的了解及比较决定的。
因为要做到比单环单节点冗余网络更加可靠的环网，就要选择双环网结构，这样的结构要求接入端必须是双网卡，分析后认为这样的可能性不大并且浪费网络资源，所以选择既经济又可靠的单环结构。
本方案采用地面、井下单环单节点组网方式，兼顾了可靠性与经济性。
光纤环网冗余结构通过建立一个环状的光纤以太网结构来实现网络冗余，减少网络单点故障，增强整个通信网络在突发情况下的生存能力。
光环以太网结构如下图所示
如图所示：
节点交换机拥有2个百兆光口，6个百兆电口。
2个百兆光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。
网络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20ms内恢复正常的通讯。
（3）控制网络中节点交换机的选型
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，本方案采用台湾MOXA的工业以太网交换机系列。
MOXA公司的工业以太网交换机EDS-728、EDS-518A和EDS-408A系统产品均为工业级以太网设备。
它们采用牢靠的重负荷设计，其性能指标远远超过一般的OA网络产品，电磁兼容性、工作温度、防震等指标完全符合工业现场的高等级要求。
MOXA网络产品还支持多种网络拓扑结构和多重冗余方式，如（单）环网冗余、单环双节点冗余、双总线冗余、双环网冗余和环间冗余。
所有冗余结构在切换时，已传递的数据延迟小于20ms，不会造成数据丢失的问题。
工业以太网系统网络交换机配置及节点分布
（1）交换机配置
每个独立环网中的网络节点配置1台MOXA公司的EDS-408A交换机，所有的EDS-408A交换机通过其自身的两个百兆光纤接口进行环形互连，最终使得地面、井下形成一个环形冗余网络。
MOXA公司的EDS-408A交换机，该交换机的2个百兆光纤接口用于实现交换机之间的环网冗余连接。
由于采用了基于以太网TCP/IP的工业以太网技术，因此所有的各类服务器、工作站，PLC等计算机设备均可直接连接入工业以太网控制网。
在中央监控室的各个服务器、工作站等设备可直接通过快速以太网卡直接与中央监控室的核心交换机上的快速以太网端口（RJ-45）相连，提供10/100M的端口速率。
现场的各个PLC或其他设备则直接通过双绞线与现场就近的EDS-408A交换机的快速以太网端口（RJ-45）相连，并也提供10/100M的端口速率。
（2）节点分布
XXX矿井地域分布较广，拟在井下设置3台（或更多依据矿井巷道分布情况待定）KJJ31型（防爆）环网交换机，地面设置4台CJJ02型环网交换机。
工业以太网控制网按区域及子系统的就近接入形成一个单环型工业控制网络。
地面环网交换机设置地点：
调度中心机房、35KV变电所、动筛车间、矿井水处理间。
井下环网交换机设置地点：
主井口胶带机控制室、中央变电所、胶带运输机控制峒室。
工业以太网系统网络管理
本方案采用MOXA公司的EDS-SNMPOPCServerPro网络管理软件对整个网络的所有网络设备进行统一的管理。
网络管理是计算机网络系统可靠、安全、高效运行的保障。
ISO为网络管理的实现制定了相应的标准，使网络管理系统能够相互兼容和互连。
网管是对整个管理信息网进行规划、配置的工具，它可以实现对所有支持SNMP协议的网络设备进行管理、配置，在更改设备配置时只要在网管工作站对相关设备进行合适配置，通过网管工作站对网络设备进行日常管理、流量统计、故障分析等。
设备控制网中所有光纤环网交换机均支持Web管理。
在网管工作站上使设备用浏览器，通过光纤环网交换机的管理IP地址即可在图形化界面上实现对交换机管理、配置和状态的观测。
而通过光纤环网交换机配套的EDS-SNMPOPCServerPro网络管理软件可以实现对整个通信网络更加全面的管理。
工业以太网系统网络安全
通过网络传递的信息会不会被截获和篡改，网络另一方的人的身份是否真实，等等这些信息安全问题已经引起了各部门、各企业以及每个互联网用户的重视，系统安全是关系到系统正常运行的关键。
本信息管理系统从以下几个方面保证信息安全。
（1）用户认证管理
系统根据用户对数据的不同需求，将用户分成若干个工作组，不同的工作组有不同的权限，服务器根据用户输入的标识和口令，确认其为合法用户后，根据其权限开放相关子系统供其查询和操作。
从而阻止非法用户对系统的“侵入”。
（2）防火墙技术
安装思科Pix-515E-UR硬件防火墙，系统对接入的宽带网安装防火墙，以阻止外来黑客的非法入侵。
（3）数据备份
数据备份可用一台数据库服务器内加两块SCSI硬盘进行RAID1镜像，或用两台数据库服务器加一台磁盘阵列柜实现数据的冗余。
（4）网络防病毒技术
网络病毒是网络安全运行的大敌，由于网络病毒的形式很多，对系统、文件、磁盘操作构成威胁，直接影响网络的正常运行。
目前，运行在Windows2003Server环境下的网络防病毒软件很多，如NortonAntiVirus等。
它们更新升级周期均为一周左右。
国内NortonAntiVirus装机量处于领先地位。
该软件功能较强，并支持不同的系统，我们选用NortonAntiVirus。
（5）把网络分不同的网段。
让有关生产网络处于一个网段，其他系统不在这一网段中，这样加强网络管理，生产数据畅通，有效防止网络病毒和攻击。
工业以太网系统网络传输介质
考虑到井下的工作环境复杂，除了高温，粉尘外还存在由大型设备发出的大量电磁干扰，普通的铜质通信电缆极易受到这些因素的影响，从而影响整个通信系统的正常运行。
而且由于铜质通信电缆传输距离有限，不得不增加中继设备，相应增加了成本和发生故障的可能性。
光纤系统则克服了这些缺点，采用矿用专用光缆，可获得较长的通信距离及较强的抗干扰能力，是用于井下环境的理想通信线路。
针对本次工程建设我们建议工业电视系统光缆与工业以太网系统光缆分开，本系统需要在井下各环网交换机之间敷设矿用铠装阻燃4芯单模光缆，在地面各环网交换机之间电缆沟中敷设地埋4芯单模光缆。
井下网络设备供电及防爆设计说明（KJJ31）
网络系统中采用的Moxa工业交换机节点设备均为专为工业环境设计的工业交换设备，能够适应高温、高湿、尘埃和震动的环境，满足在煤矿环境的防爆及安全要求。
符合GB50054—92《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》和GB3836－83《爆炸性环境用防爆电器设备通用要求》。
本公司井下大型高端环网交换机的型号为KJJ58，经济型环网交换机的型号为KJJ31,适合简单接入的需求的型号为KJD30-F。
考虑到现场的恶劣条件，为减少因电源故障而产生的网络中断等事故发生几率；提高网络的可用性，井下环网交换机内部均配备了专用的不间断电源。
系统的安全性设计
主要设备技术性能介绍
IBMX系列服务器
（1）X系列服务器产品类型
通用式服务器：
具有塔式及机架式安装的多元化设计。
低端机型可提高小型企业的工作效率；大型企业级机型将最大的可扩展性与高可用性工具结合在一起来支持繁重的工作负载。
以入门级的价格为小型企业或分布式计算环境提供创新及可用性
机柜优化式服务器：
采用IBMXtendedDesignArchitecture™，以提供全新的业界标准组件，帮助提高IT人员的工作效率并降低计算成本；在纤小的机箱中提供卓越的性能及可管理性，从而在帮您解决数据中心空间紧张的问题同时提供更高的可用性。
高可扩展服务器：
高可扩展服务器将继续改进业界标准服务器平台，推出能提供更高可用性、可扩展性及事物处理功能的基于Intel的全新的企业级服务器。
通过提供更快速的应答和更高的事务处理能力来增强您的业务能力。
（2）产品主要特点
机柜优化的Systemx服务器—如IBMSystemx3650,x3550，x3250，配备英特尔至强处理器，并支持英特尔64位内存扩展技术（Intel®EM64T）。
这些机柜密度服务器外观小巧、但不影响性能或可管理性，能够帮助解决数据中心空间紧张问题。
塔型Systemx服务器—如全新的Systemx3500,x3400,配备英特尔至强处理器，并支持英特尔64位内存扩展技术（Intel®EM64T）。
这些服务器以入门价格为小企业或分布式计算提供创新及可用性。
高性能的Systemx服务器—如配备了支持高性能的双内核64位英特尔至强处理器（多路）的IBMSystem3950，为您提供更多扩展空间和投资保护。
●Systemx的与众不同和创新
通过技术差分推动创新，是IBMSystemx系统在当前市场中捕获巨大市场份额的原因。
通过投资创新，将基于主机的技术提供给业界标准的市场，同时提供卓越的系统管理产品，这些塔型和机柜优化的Systemx系统呈现出强劲的市场发展势头，不断获得竞争优势，且市场份额不断增加。
●特性丰富的功能
全新的Systemx塔型和机柜密集型服务器采用IBMXtendedDesignArchitecture™，以提供全新的业界标准组件，帮助提高IT人员的工作效率并降低计算成本。
对于机柜密集型环境，x3550（x336）和x346（x346）提供校准矢量冷却™支持，这是一项IBM创新技术，可帮助最大限度地提高内存、I/O和存储容量，以便获得最高性能，同时提供更高的可用性。
此外，这些系统还配备了集成管理控制器和下拉式光路诊断面板，以便提供可靠的管理。
对于分布式企业，全新的x3400（x226）和x3500（x236）塔型服务器提供合理的性能及高可用性，如冗余/热插拔电源和风扇等，通过RASII支持大量的I/O、存储和远程管理容量。
●高性能硬件
高性能的Systemx服务器，如x3950配备了高性能的IntelXeon处理器，提供随需应变扩展（XpandOnDemand）功能，为提高性能提供了简单路径。
您可随需求的增长添加处理器、内存和存储容量。
Systemx服务器提供I/O、内存和处理器的创新优势，可以运行32位和64位应用程序，从而能提供很好的性能和投资保护。
●面向随需应变
成为随需应变企业意味着发现在动态商业环境中增长、适应和相应的方法，同时管理成本。
Systemx系统提供卓越的可用性和系统管理功能，帮助更好的管理和设置您的计算资源，营造能够随业务需求增长的相应性IT环境。
●BladeCenter解决方案（HS20）
通过IBMeServer®BladeCenter迎接服务器管理挑战。
其模块化设计将计算资源合并到一个经济高效的高密度机箱中，该机箱容纳可热插拔的高性能2路（HS20）基于Intel®处理器的刀片服务器。
新型HS20刀片服务器采用英特尔64位内存扩展技术（Intel®EM64T），允许平滑移植到64位应用，同时利用现有应用生态系统的性价比。
此外，BladeCenter已通过提供全新的思科和Brocade交换机模块扩展了其硬件生态系统，帮助客户降低总投资成本。
●群集解决方案
IBMCluster1350是IBM业界领先的Linux群集解决方案，现包括BladeCenter和配备英特尔至强处理器的HS20刀片服务器，提供卓越的性能和密度。
Cluster1350结合了BladeCenter、其他Systemx服务器和机柜优化服务器的强大动力与IBMClusterSystemsManagementforLinux软件、IBM存储产品、领先的第三方联网组件以及群集组件的单一保证服务合同—构建出面向高性能计算和商业应用环境的强大解决方案。
●Microsoft解决方案
Systemx服务器运行Windows操作系统，提供卓越的性能和功能。
Systemx支持广泛功能，从为希望一站式采购的客户提供预装Windows操作系统的精选产品，到为需要可扩展性及可靠性的客户分发DatacenterEdition。
●Linux解决方案
IBM与著名的Linux®销售公司RedHat®,Inc.及SUSELINUX（Novell子公司）合作，提供经过测试和验证的Systemx服务器配置，从而帮助提供卓越的Systemx性能与功能。
Systemx为希望一站式Linux采购的客户提供预装Linux操作系统的广泛产品。
安装在Systemx服务器上的Linux产品的广泛性，使您能够灵活选择最适当的Linux实施。
●利用存储技术
数据是企业的关键组件。
高效处理数量日益增多的信息是随需应变企业取得成功的关键因素。
MicrosoftWindowsServer2003企业版操作系统
针对大中型企业而设计的WindowsServer2003企业版是推荐运行某些应用程序的服务器应该使用的操作系统，这些应用程序包括：
联网、消息传递、清单和顾客服务系统、数据库、电子商务Web站点以及文件和打印服务器。
WindowsServer2003企业版提供高度的可靠性和性能以及优异的商业价值。
企业版可在最新硬件上使用，它同时有32位版本和64位版本，从而保证了最佳的灵活性和可伸缩性。
WindowsServer2003企业版与WindowsServer2003标准版的主要差异：
支持高性能服务器以及将服务器群集在一起以处理更大负载的能力。
这些功能提高了系统的可靠性，即确保无论是出现系统失败或是应用程序变得很大，系统仍然可用。
WindowsServer2003企业版使您可以在符合工业标准的PC硬件上部署具有高度可用性和可伸缩性的应用程序。
其结果是：
构成了一种可运行关键业务应用程序和服务的高效优化结构。
适合于WindowsServer2003企业版的应用程序常见的例子包括联网、消息传递、清单和顾客服务系统、数据库、电子商务Web站点以及文件和打印服务器。
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