礦場安防系統(tǒng)光纖自愈以太網(wǎng)解決方案

　　針對礦場安防系統(tǒng)傳統(tǒng)的點對點傳輸解決方案的固有缺陷，在礦場周界監(jiān)控系統(tǒng)中，本文采用基于集散控制系統(tǒng)概念的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有高度的分散性、實時性、可靠性、開放性和可操作性，同時也可以做到數(shù)據(jù)、語音和視頻“三網(wǎng)合一”。它采用統(tǒng)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，可以通過網(wǎng)絡訪問終端數(shù)據(jù);采用光纜，減少了布線難度;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(tǒng)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化,是在 20 世紀 70 年代研制開發(fā)的一種基帶局域網(wǎng)技術，使用同軸電纜作為網(wǎng)絡媒體。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(shù)據(jù)的節(jié)點首先要監(jiān)聽網(wǎng)絡，網(wǎng)絡空閑時發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)時繼續(xù)監(jiān)聽，檢測到?jīng)_突時立即停止發(fā)送并發(fā)出一個強化沖突的干擾信號，通知所有節(jié)點網(wǎng)絡已經(jīng)發(fā)生沖突，此時沖突各方主動退避,隨機等待一段時間后再重新監(jiān)聽網(wǎng)絡。

　　交換式以太網(wǎng)是根據(jù)提高以太網(wǎng)的傳輸速率，盡可能減少總線競爭的思想開發(fā)出的新型以太網(wǎng)。所有節(jié)點都分別連接到一個交換式集線器的端口上，交換式集線器內(nèi)置一個復雜的交換陣列，任意兩個端口都可以建立一個傳輸通道，以標稱傳輸速度、傳輸數(shù)據(jù)。

　　隨著以太網(wǎng)通信速率的提高、全雙工通信、交換技術的發(fā)展，為以太網(wǎng)直接應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間通信提供了技術可能。所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術上與商用以太網(wǎng)(即IEEE802.3標準)兼容，但在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。在產(chǎn)品設計時，首先考慮的是高溫、潮濕、震動;其次看是否能方便地安裝在工業(yè)現(xiàn)場控制柜內(nèi);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(xiàn)場設備間通信具有實時性強、數(shù)據(jù)信息短、周期性較強等特點和要求，基本解決了以太網(wǎng)應用于現(xiàn)場設備間通信的關鍵技術。

　?、?實時通信技術采用以太網(wǎng)交換技術、全雙工通信、流量控制等技術，以及確定性數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡微網(wǎng)段化等針對工業(yè)過程控制的通信實時性措施，解決了以太網(wǎng)通信的實時性?？梢詫崿F(xiàn)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，設計了能實現(xiàn)網(wǎng)絡供電或總線供電的以太網(wǎng)集線器，解決了以太網(wǎng)總線的供電問題。

　　③采用網(wǎng)絡分層、控制區(qū)域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡超小時滯中繼以及光纖傳輸技術解決以太網(wǎng)的遠距離傳輸問題。

　　④ 采用控制區(qū)域微網(wǎng)段化，各控制區(qū)域通過具有網(wǎng)絡隔離和安全過濾的現(xiàn)場控制器與系統(tǒng)主干相連，實現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網(wǎng)絡隔離。

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

　　(2) 起草了“用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構和通信標準”(草案)。

　　(3)針對工業(yè)現(xiàn)場控制應用的特點，通過采用軟、硬件抗干擾、EMC設計措施，已開發(fā)出了基于以太網(wǎng)技術的傳輸和控制設備。

　　2、集散控制系統(tǒng)

　　集散控制系統(tǒng)(DCS)是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，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：高可靠性、開放性、靈活性、易于維護、協(xié)調(diào)性和控制功能齊全及可以實現(xiàn)更高級的集中管理功能。

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

　　新方案系統(tǒng)組成

　　1、 網(wǎng)絡結(jié)構

▲圖1：光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)傳輸拓撲圖

　　下面以某礦場安防系統(tǒng)作一介紹。該礦場安防系統(tǒng)全長為11.5公里，有 460個不等距離分布的節(jié)點(攝像機)，連接到控制中心共計80臺MIE-5310交換機形成5個冗余千兆光纖環(huán)網(wǎng)(單模光纖)，這樣有利于均衡負載有效使用網(wǎng)絡帶寬，5個環(huán)網(wǎng)通過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)口與存儲服務器連接，前端每個節(jié)點連接6路網(wǎng)絡視頻和8路RS485控制信號(通過一臺ME-C1088串口服務器接入)。然后將所有的視頻數(shù)據(jù)存儲于中心四臺存儲服務器。

　　如果在系統(tǒng)工作時連接介質(zhì)發(fā)生故障，環(huán)形結(jié)構將在小于300ms時間內(nèi)切換網(wǎng)絡工作拓撲結(jié)構。從而保證了系統(tǒng)的可靠性。而且在同樣的冗余度下，冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構不僅減少了風險，更降低了實現(xiàn)成本。

　　2、網(wǎng)絡設備

　　(1)前端設備

　　MIE-5310交換機具有2個冗余的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(tǒng)在重新組態(tài)時冗余倒換時間小于300ms，另可提供1個1000M上聯(lián)口與核心交換機上聯(lián)，7個普通的10/100Base-T的雙絞線端口。6路視頻信號通過網(wǎng)絡攝像機接到MIE-5310的6個100M網(wǎng)口上。由于具有自適應功能，每個端口能自動的設置到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)絡及系統(tǒng)的可靠性。

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

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

　　示意圖如下：

　　(2)核心交換機-存儲服務器

　　中心使用兩臺MIER-3824核心三層千兆交換機，用于匯集5個環(huán)網(wǎng)的視頻，四臺存儲服務器與核心交換機使用1000M端口連接。每存儲服務器匯集115個節(jié)點的視頻信號，在每個節(jié)點速率在6Mbps時，每臺存儲服務器負載的數(shù)據(jù)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(tǒng)功能

　　(1)每個節(jié)點提供6個100M以太網(wǎng)口，用于傳輸6路視頻。

　　(2)每個節(jié)點通過ME-C1088提供8個RS485數(shù)據(jù)口用于控制云臺及除塵設備，每個RS485口負責一個攝像機。

　　(3)中心端兩臺千兆核心交換機背板帶寬為64Gbps，每個端口均可提供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個光纖環(huán)網(wǎng)來傳輸，達到均衡負載的目的。

　　(5)管理人員可以在中心端實時監(jiān)控單個攝像頭的監(jiān)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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性和實時性。

　　(1)物理連接上成環(huán)型。

　　(2)工作時整個網(wǎng)絡成鏈狀結(jié)構，有一段不傳輸數(shù)據(jù)，只傳輸環(huán)上設備各自的狀態(tài)。環(huán)上的每一個設備都知道并隨時向其他設備報告自己的狀態(tài)。一旦有一段網(wǎng)絡發(fā)生故障，臨近的交換機會馬上通知其他交換機，以極短的時間將這一信息傳遍全網(wǎng)。作為“根”的交換機就會實行切換，就是原來沒有數(shù)據(jù)通過的那段鏈路馬上進行數(shù)據(jù)傳輸。整個切換時間為300毫秒。整個網(wǎng)絡還是呈鏈狀工作狀態(tài)，實現(xiàn)冗余。當損壞的網(wǎng)絡修復后，網(wǎng)絡恢復到初始工作狀態(tài)。

　　(3)一條光纖鏈路發(fā)生故障時網(wǎng)絡重構方案如圖2所示，當主環(huán)光纖鏈路出現(xiàn)故障時，副環(huán)自動啟動，接替主環(huán)的工作使通信系統(tǒng)正常運行。故障修復后系統(tǒng)自動恢復。

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

　　本系統(tǒng)優(yōu)勢分析

　　本周界系統(tǒng)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)絡基礎和長期的經(jīng)驗知識，以及目前所有流行的操作系統(tǒng)和應用也都與之兼容;二因以太網(wǎng)是標準技術，具有廣泛的軟硬件支持，性能價格比好，初始成本和運營成本均較低。另外，以太網(wǎng)的擴展性好，且可靠性較高。以太網(wǎng)是與媒體無關的承載技術，可以透明地與銅線對、電纜和各種光纖等不同傳輸媒體接口，避免了重新布線的成本。因此，非常適用于礦場周界系統(tǒng)的傳輸，方便礦場周界建設的組網(wǎng)要求。

　　從結(jié)構上看，以太網(wǎng)周界系統(tǒng)以端到端解決方案面目出現(xiàn)，消去了其他解決方案所必不可少的網(wǎng)絡邊界處的格式變換。從管理上看，由于同樣的系統(tǒng)可以應用在網(wǎng)絡的各個層面上，網(wǎng)絡管理可以大大簡化。因此，滿足了礦場周界系統(tǒng)不斷建設和不斷引進新技術和新設備的要求。

　　本周界系統(tǒng)的傳輸平臺還有以下技術優(yōu)勢：

　　(1)冗余切換技術

　　冗余技術能在50ms內(nèi)檢測到網(wǎng)絡中所有設備的狀態(tài)，并通知到所有網(wǎng)員，保證網(wǎng)絡在300MS內(nèi)完成網(wǎng)絡重構。

　　(2)雙纖雙網(wǎng)冗余技術

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

　　(3)雙主站備份功能

　　系統(tǒng)可以配置為局端、遠端和備份局端。當網(wǎng)絡出現(xiàn)故障導致局端失效，備份局端在0.2秒之內(nèi)自動升為局端，保證網(wǎng)絡的正常運行;一旦網(wǎng)絡故障排除，原來的局端恢復正常工作，備份局端站會返回備份局端的狀態(tài)。

　　結(jié)束語

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