礦場(chǎng)安防系統光纖自愈以太網(wǎng)解決方案

　　針對礦場(chǎng)安防系統傳統的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸解決方案的固有缺陷，在礦場(chǎng)周界監控系統中，本文采用基于集散控制系統概念的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)系統。該系統具有高度的分散性、實(shí)時(shí)性、可靠性、開(kāi)放性和可操作性，同時(shí)也可以做到數據、語(yǔ)音和視頻“三網(wǎng)合一”。它采用統一的TCP/IP協(xié)議，避免了不同協(xié)議間難以通訊的困擾;可以直接和局域網(wǎng)的計算機互連，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)終端數據;采用光纜，減少了布線(xiàn)難度;選用工業(yè)級的以太網(wǎng)設備組網(wǎng)，增強了對環(huán)境的適應性。

　　周界系統光纖自愈以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)新方案

　　1、光纖工業(yè)以太網(wǎng)

　　以太網(wǎng)(Ethernet)以前主要應用于辦公自動(dòng)化,是在 20 世紀 70 年代研制開(kāi)發(fā)的一種基帶局域網(wǎng)技術(shù)，使用同軸電纜作為網(wǎng)絡(luò )媒體。目前通用的以太網(wǎng)標準IEEE802.3使用了CSMA/CD傳輸協(xié)議。任何需要傳輸數據的節點(diǎn)首先要監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )空閑時(shí)發(fā)送數據，發(fā)送數據時(shí)繼續監聽(tīng)，檢測到?jīng)_突時(shí)立即停止發(fā)送并發(fā)出一個(gè)強化沖突的干擾信號，通知所有節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)發(fā)生沖突，此時(shí)沖突各方主動(dòng)退避,隨機等待一段時(shí)間后再重新監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )。

　　交換式以太網(wǎng)是根據提高以太網(wǎng)的傳輸速率，盡可能減少總線(xiàn)競爭的思想開(kāi)發(fā)出的新型以太網(wǎng)。所有節點(diǎn)都分別連接到一個(gè)交換式集線(xiàn)器的端口上，交換式集線(xiàn)器內置一個(gè)復雜的交換陣列，任意兩個(gè)端口都可以建立一個(gè)傳輸通道，以標稱(chēng)傳輸速度、傳輸數據。

　　隨著(zhù)以太網(wǎng)通信速率的提高、全雙工通信、交換技術(shù)的發(fā)展，為以太網(wǎng)直接應用于工業(yè)現場(chǎng)設備間通信提供了技術(shù)可能。所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來(lái)講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即IEEE802.3標準)兼容，但在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需要。在產(chǎn)品設計時(shí)，首先考慮的是高溫、潮濕、震動(dòng);其次看是否能方便地安裝在工業(yè)現場(chǎng)控制柜內;再次是使用低壓交流或直流電源。EMC的要求隨工業(yè)環(huán)境對EMI和ESD要求的不同而變化。

　　目前工業(yè)以太網(wǎng)的應用已取得下述成果：

　　(1) 針對工業(yè)現場(chǎng)設備間通信具有實(shí)時(shí)性強、數據信息短、周期性較強等特點(diǎn)和要求，基本解決了以太網(wǎng)應用于現場(chǎng)設備間通信的關(guān)鍵技術(shù)。

　?、?實(shí)時(shí)通信技術(shù)采用以太網(wǎng)交換技術(shù)、全雙工通信、流量控制等技術(shù)，以及確定性數據通信調度控制策略、簡(jiǎn)化通信棧軟件層次、現場(chǎng)設備層網(wǎng)絡(luò )微網(wǎng)段化等針對工業(yè)過(guò)程控制的通信實(shí)時(shí)性措施，解決了以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性?？梢詫?shí)現雙冗余環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)。

　?、诓捎弥绷?FONT color=#000000>電源耦合、電源冗余管理等技術(shù)，設計了能實(shí)現網(wǎng)絡(luò )供電或總線(xiàn)供電的以太網(wǎng)集線(xiàn)器，解決了以太網(wǎng)總線(xiàn)的供電問(wèn)題。

　?、鄄捎镁W(wǎng)絡(luò )分層、控制區域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡(luò )超小時(shí)滯中繼以及光纖傳輸技術(shù)解決以太網(wǎng)的遠距離傳輸問(wèn)題。

　?、?采用控制區域微網(wǎng)段化，各控制區域通過(guò)具有網(wǎng)絡(luò )隔離和安全過(guò)濾的現場(chǎng)控制器與系統主干相連，實(shí)現各控制區域與其他區域之間的邏輯上的網(wǎng)絡(luò )隔離。

　?、莶捎梅稚⒔Y構化設計、EMC設計、冗余、自診斷等可靠性設計技術(shù)。

　　(2) 起草了“用于工業(yè)測量與控制系統的EPA系統結構和通信標準”(草案)。

　　(3)針對工業(yè)現場(chǎng)控制應用的特點(diǎn)，通過(guò)采用軟、硬件抗干擾、EMC設計措施，已開(kāi)發(fā)出了基于以太網(wǎng)技術(shù)的傳輸和控制設備。

　　2、集散控制系統

　　集散控制系統(DCS)是一個(gè)由過(guò)程控制級和過(guò)程監控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò )為紐帶的多級計算機系統，其基本思想是集中操作、分散控制、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。DCS具有以下特點(diǎn)：高可靠性、開(kāi)放性、靈活性、易于維護、協(xié)調性和控制功能齊全及可以實(shí)現更高級的集中管理功能。

　　目前在國內，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成功應用于很多集散控制系統的工業(yè)現場(chǎng)。有以上技術(shù)作依托，光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)應用于礦場(chǎng)周界系統的傳輸中成為可能。

　　新方案系統組成

　　1、 網(wǎng)絡(luò )結構

▲圖1：光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)傳輸拓撲圖

　　下面以某礦場(chǎng)安防系統作一介紹。該礦場(chǎng)安防系統全長(cháng)為11.5公里，有 460個(gè)不等距離分布的節點(diǎn)(攝像機)，連接到控制中心共計80臺MIE-5310交換機形成5個(gè)冗余千兆光纖環(huán)網(wǎng)(單模光纖)，這樣有利于均衡負載有效使用網(wǎng)絡(luò )帶寬，5個(gè)環(huán)網(wǎng)通過(guò)5條單模光纖與控制中心的MIER-3824千兆核心交換機上聯(lián)，MIER-3824使用1000M網(wǎng)口與存儲服務(wù)器連接，前端每個(gè)節點(diǎn)連接6路網(wǎng)絡(luò )視頻和8路RS485控制信號(通過(guò)一臺ME-C1088串口服務(wù)器接入)。然后將所有的視頻數據存儲于中心四臺存儲服務(wù)器。

　　如果在系統工作時(shí)連接介質(zhì)發(fā)生故障，環(huán)形結構將在小于300ms時(shí)間內切換網(wǎng)絡(luò )工作拓撲結構。從而保證了系統的可靠性。而且在同樣的冗余度下，冗余環(huán)網(wǎng)結構不僅減少了風(fēng)險，更降低了實(shí)現成本。

　　2、網(wǎng)絡(luò )設備

　　(1)前端設備

　　MIE-5310交換機具有2個(gè)冗余的1000Mbit/s光口，利用冗余光纖接口，可以組成光纖自愈環(huán)網(wǎng),系統在重新組態(tài)時(shí)冗余倒換時(shí)間小于300ms，另可提供1個(gè)1000M上聯(lián)口與核心交換機上聯(lián)，7個(gè)普通的10/100Base-T的雙絞線(xiàn)端口。6路視頻信號通過(guò)網(wǎng)絡(luò )攝像機接到MIE-5310的6個(gè)100M網(wǎng)口上。由于具有自適應功能，每個(gè)端口能自動(dòng)的設置到10BASE-TX或100BASE-TX狀態(tài)及全雙工或半雙工的運行模式。提供24V電源冗余，增強了網(wǎng)絡(luò )及系統的可靠性。

　　ME-C1088串口服務(wù)器可提供8個(gè)RS485接口，用于控制攝像機的云臺和防塵刷，占用MIE-5310的1個(gè)10/100M網(wǎng)絡(luò )接口。

　　前端的每一個(gè)環(huán)網(wǎng)均使用1000M鏈路與中心上聯(lián)，每個(gè)上聯(lián)口帶寬約為600Mbps。

　　示意圖如下：

　　(2)核心交換機-存儲服務(wù)器

　　中心使用兩臺MIER-3824核心三層千兆交換機，用于匯集5個(gè)環(huán)網(wǎng)的視頻，四臺存儲服務(wù)器與核心交換機使用1000M端口連接。每存儲服務(wù)器匯集115個(gè)節點(diǎn)的視頻信號，在每個(gè)節點(diǎn)速率在6Mbps時(shí)，每臺存儲服務(wù)器負載的數據流量約為700Mbps。MIER-3824的背板帶寬為64Gbps，可保證正常通信。

　　新方案系統功能

　　(1)每個(gè)節點(diǎn)提供6個(gè)100M以太網(wǎng)口，用于傳輸6路視頻。

　　(2)每個(gè)節點(diǎn)通過(guò)ME-C1088提供8個(gè)RS485數據口用于控制云臺及除塵設備，每個(gè)RS485口負責一個(gè)攝像機。

　　(3)中心端兩臺千兆核心交換機背板帶寬為64Gbps，每個(gè)端口均可提供1000Mbps的通信速率，負責所有攝像機視頻的安全傳輸。

　　(4)四臺存儲服務(wù)器每臺負責存儲115臺攝像機的視頻，并將460臺攝像機分為5個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)來(lái)傳輸，達到均衡負載的目的。

　　(5)管理人員可以在中心端實(shí)時(shí)監控單個(gè)攝像頭的監視情況。

　　冗余環(huán)網(wǎng)工作原理

　　工業(yè)冗余環(huán)網(wǎng)可以在惡劣環(huán)境下，實(shí)現數據傳輸的穩定性、可靠性和實(shí)時(shí)性。

　　(1)物理連接上成環(huán)型。

　　(2)工作時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )成鏈狀結構，有一段不傳輸數據，只傳輸環(huán)上設備各自的狀態(tài)。環(huán)上的每一個(gè)設備都知道并隨時(shí)向其他設備報告自己的狀態(tài)。一旦有一段網(wǎng)絡(luò )發(fā)生故障，臨近的交換機會(huì )馬上通知其他交換機，以極短的時(shí)間將這一信息傳遍全網(wǎng)。作為“根”的交換機就會(huì )實(shí)行切換，就是原來(lái)沒(méi)有數據通過(guò)的那段鏈路馬上進(jìn)行數據傳輸。整個(gè)切換時(shí)間為300毫秒。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )還是呈鏈狀工作狀態(tài)，實(shí)現冗余。當損壞的網(wǎng)絡(luò )修復后，網(wǎng)絡(luò )恢復到初始工作狀態(tài)。

　　(3)一條光纖鏈路發(fā)生故障時(shí)網(wǎng)絡(luò )重構方案如圖2所示，當主環(huán)光纖鏈路出現故障時(shí)，副環(huán)自動(dòng)啟動(dòng)，接替主環(huán)的工作使通信系統正常運行。故障修復后系統自動(dòng)恢復。

　　(4)兩條光纖鏈路同時(shí)發(fā)生故障如圖3所示，此時(shí)RTU 1及RTU 2 兩處的光端機會(huì )自動(dòng)將光纖鏈路環(huán)回，形成兩個(gè)獨立的環(huán)形網(wǎng)，從而實(shí)現鏈路的自愈，使系統保持正常的運行。待故障解除后光端機會(huì )自動(dòng)恢復到原來(lái)的工作方式。

　　本系統優(yōu)勢分析

　　本周界系統的傳輸平臺方案是基于二層交換和三層路由的方案，其優(yōu)勢十分明顯。一是巨大的網(wǎng)絡(luò )基礎和長(cháng)期的經(jīng)驗知識，以及目前所有流行的操作系統和應用也都與之兼容;二因以太網(wǎng)是標準技術(shù)，具有廣泛的軟硬件支持，性能價(jià)格比好，初始成本和運營(yíng)成本均較低。另外，以太網(wǎng)的擴展性好，且可靠性較高。以太網(wǎng)是與媒體無(wú)關(guān)的承載技術(shù)，可以透明地與銅線(xiàn)對、電纜和各種光纖等不同傳輸媒體接口，避免了重新布線(xiàn)的成本。因此，非常適用于礦場(chǎng)周界系統的傳輸，方便礦場(chǎng)周界建設的組網(wǎng)要求。

　　從結構上看，以太網(wǎng)周界系統以端到端解決方案面目出現，消去了其他解決方案所必不可少的網(wǎng)絡(luò )邊界處的格式變換。從管理上看，由于同樣的系統可以應用在網(wǎng)絡(luò )的各個(gè)層面上，網(wǎng)絡(luò )管理可以大大簡(jiǎn)化。因此，滿(mǎn)足了礦場(chǎng)周界系統不斷建設和不斷引進(jìn)新技術(shù)和新設備的要求。

　　本周界系統的傳輸平臺還有以下技術(shù)優(yōu)勢：

　　(1)冗余切換技術(shù)

　　冗余技術(shù)能在50ms內檢測到網(wǎng)絡(luò )中所有設備的狀態(tài)，并通知到所有網(wǎng)員，保證網(wǎng)絡(luò )在300MS內完成網(wǎng)絡(luò )重構。

　　(2)雙纖雙網(wǎng)冗余技術(shù)

　　采用冗余切換的技術(shù)的設備，可以完成雙纖冗余網(wǎng)絡(luò )、雙纖雙網(wǎng)冗余。所有節點(diǎn)互為備份的工業(yè)交換機可以采用特定的接口進(jìn)行互連。形成多網(wǎng)孔的結構，以保證網(wǎng)絡(luò )上所有節點(diǎn)在任何狀態(tài)下具有安全完整的路由。

　　(3)雙主站備份功能

　　系統可以配置為局端、遠端和備份局端。當網(wǎng)絡(luò )出現故障導致局端失效，備份局端在0.2秒之內自動(dòng)升為局端，保證網(wǎng)絡(luò )的正常運行;一旦網(wǎng)絡(luò )故障排除，原來(lái)的局端恢復正常工作，備份局端站會(huì )返回備份局端的狀態(tài)。

　　結束語(yǔ)

　　本文以工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)為基礎，較為詳細的敘述了光纖工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)技術(shù)在礦場(chǎng)周界集散控制系統中的應用，論述了系統的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)。本文對礦場(chǎng)周界系統的傳輸平臺建設有一定的實(shí)用價(jià)值。