基于工業以太環網的煤礦綜合信息化平臺構建技術研究

趙 磊

（聊城大學 東昌學院，聊城 252000）

0 引言

本文以新汶礦業集團公司某礦的綜合信息化平臺建設為研究對象，詳細介紹了其建設過程中的技術問題。

1 綜合信息化網絡平臺架構

1.1 綜合網絡總體方案

根據煤礦信息化建設的要求，煤礦全礦井信息化系統設計兩層網絡，信息層網絡和控制層網絡[1,2]。

煤礦地面綜合調度控制中心建立以監測與控制為主的管理以太網，有獨立的網關和防火墻，并可以通過以太網向公司提供煤礦全礦安全、生產等信息，并支持授權的遠程訪問。

煤礦綜合控制系統包括井上部分和井下部分，以1000M工業光纖以太環網作為全礦主干網，主干網通過工業級交換機為全礦各個子系統提供方便靈活的工業以太網接口，煤礦地面、井下子系統均可以方便加入。

煤礦主干網為1000M工業光纖以太網，采用環型結構，核心交換機采用國際頂級工業級品牌，以保證系統的高可靠性。即使光纖網絡有一點斷開，網絡也能照常工作，并且能很快診斷出故障的位置，方便進行維修。

系統的服務器設計為冗余結構，服務器采集、分析、管理全礦安全、生產等全部信息，并提供給各個操作員站，各操作員站對全礦子系統的控制信息也由服務器，經由工業以太網上相應節點發送到被控子系統。服務器上的重要歷史信息能夠保留一年或更長時間。

在1000M工業以太網上設計一臺工程師站，工程師站由經過專門培訓過的工程師操作，工程師站負責組態并維護全部控制系統。

本文建立全礦井的綜合自動化網絡系統，主干網絡采用光纖以太環網傳輸（傳輸速率1000M），把基礎自動化各子系統和工業電視監控系統連接到該系統平臺上，通過該系統能對基礎自動化各子系統發布控制命令，并能監視各子系統設備的運行狀態，收集所需的生產和安全參數進行分析等操作。系統往上能夠聯接集團公司企業資源管理（ERP）等系統，便于礦井與集團公司之間的生產與管理信息交換。

1.2 系統架構

對于煤礦綜合信息化平臺設計，我們根據管理與控制一體化的觀念，將系統分為底層自動化控制系統和上層信息系統，結合計算機、網絡、通訊、自動化及信息的新技術與理論，采用先進的工業控制軟件和網絡產品、自動化產品以及先進的數據庫軟件，實現煤礦在安全、電、水、風、運輸、掘進和開采等環節的全面信息化，將管理與生產的所有環節統一到一個網絡平臺上，構成完整、統一的整體[3,4]。

1.2.1 網絡平臺配置的特點

1）可靠性高：獨立工業環網；網絡自愈時間小于30ms（要求500ms）；核心交換機冗余熱備份；數據庫冗余熱備份。

2）安全性高：工業環網、企業管理環網和外網連接均采用防火墻隔離；井下1000M環網 (要求100M環網)；滿足井下日益增加的數據帶寬需要；自主隔爆兼本安產品；井下采用自主研發的1000M本安隔爆光纖環網交換機。

3）方便接入：KJJ136具備多種接口；以太網接口；RS485接口；CAN接口；有在多個礦和多種設備對接經驗，方便接入。

4）具有多種軟件接口成熟協議：OPC、DDE和TCP/IP；MODBUS和CDT91規約；對多個礦和多種設備對接成功經驗的總結；西門子、AB、GE、Schneider、ABB 、歐姆龍和三菱等知名品牌PLC；上位組態軟件WINCC、iFix、Intouch和Kingview。

1.2.2 系統結構要求

1）工業以太網：利用1000M的工業以太網做基礎，克服就地控制過程中可能存在的隱患及事故，克服不同設備間難以完全發揮出效率、相互之間容易脫節等缺點，系統包括網絡通信接口設備、信息傳輸介質、現場分站以及地面控制中心，形成統一、先進的自動化控制集成網絡平臺，保證了系統的可靠性和安全性。

2）環網冗余技術。

3）異構系統的互聯互通：本計方案分別要在網絡級和串口級提供多種符合國際主流標準的接口方式，便于各種子系統的接入，實現最大限度的信息共享；能夠集成不同廠家的硬件設備和軟件產品，實現各系統間信息互通，并將各系統數據集成。

4）完備的接口預留：本環網的建設充分考慮到煤礦未來信息化建設和自動化改造建設的需求，采用成熟的軟件產品和環網搭建，極大程度上降低了將來各種系統的改造和建設的難度和費用。

5）實時信息數據集成。

6）統一的數據庫：在集成化的數據管理中，所有的數據存放在SQL SERVER數據庫中進行管理，數據一旦被輸入，在整個系統中都可以使用。

建立的整個環網系統結構如圖1（a）和1（b）所示。

由于B/S結構的管理軟件比C/S結構軟件有較大的優勢，因此調度平臺軟件采用B/S模式設計三層網絡體系結構：瀏覽器、應用邏輯服務器和數據庫服務器，軟件系統采用全中文平臺界面，窗體框架結構，界面直觀易學易用，多線程技術，能實現多任務穩定可靠運行。

1.3 軟件平臺主要功能

綜合信息化軟件平臺不僅僅是對所接入的系統的信息綜合，更關鍵的把數據分類、共享，建立有效的管理系統，為領導決策提供依據。

1）信息的綜合功能和實時監測功能。

2）控制功能：具有遠程啟動、停止、復位和測試功能，并具有可進行地面遠程編程、故障(保護)屏蔽及控制方式轉換等功能。

3）WEB瀏覽功能。

4）數據系統分級管理。

5）實時報警故障記錄。

6）完整的事件記錄，為系統的事故追查及重演提供重要的信息。

7）擴展功能:選用計算機和系統軟件應留有備用容量和接口，可以很方便地進行擴展,以滿足將來全礦井的需要。

8）系統安全性:系統抗干擾能力強和容錯性好，具有優良的安全驗證體系，支持系統的安全性恢復；支持數據備份；保證系統安全可靠。

9）故障報警分析功能。

10）綜合數據統計查詢功能。11）可以查看歷史數據曲線。

12）報警功能：能為用戶提供各類監測系統的實時報警信息包括超限報警、開關報警和系統在線設備的故障記錄。

13）打印功能。

14）授權管理功能：在綜合自動化監控系統中，使用者對系統的操作權限應該有嚴格的控制，必須限制哪些用戶能夠登錄該系統，可以使用系統中的哪些子系統，以及對子系統能夠具備什么樣的操作權限。

2 核心交換機

圖1 煤礦綜合信息化以太環網圖

由于煤礦行業的特殊性，普通交換機在抗干擾性能、電磁兼容性、可靠性、可用性、MTBF等方面不能完全適應環境的要求，且不能形成高速冗余環的連接方式，使用壽命也會大大降低，因而必須采用工業級的以太網交換機。本方案核心交換機選用工業級以太網交換機，配置千兆以太網光口。

1）工業以太網交換機

此方案設計采用德國赫思曼公司生產的工業交換機。赫斯曼產品特點：有工業級核心交換機，帶寬萬兆級可承上啟下，無信息傳輸瓶頸；可以建立多環，系統帶寬隨環數倍數增加，方便擴容支持環網冗余、環間耦合、環相切等獨特功能來保證其可靠性。

德國赫斯曼公司的工業以太網交換機RS2、MICE和MACH400系統產品均為工業級以太網設備。它們采用牢靠的重負荷設計，其性能指標遠遠超過一般的OA網絡產品，電磁兼容性、工作溫度、防震等指標完全符合煤礦工作現場的要求。

2）核心交換機MACH4002-24G-L3P

整個信息化平臺系統配置2臺德國赫斯曼生產的MS4002-24G-L3P工業級核心交換機。赫斯曼核心交換機如圖2所示。

圖2 核心交換機

本產品是一款機架安裝式、組網十分靈活，可組成超級光纖自愈環網、超級工業以太環網自愈環網，方便了用戶的使用。上聯冗余的1000Mbit/s端口，利用上聯冗余接口，可以組成自愈環網。提高系統可靠性。

3）地面環網交換機

地面安裝的赫斯曼環網千兆交換機，每臺交換機配置不少于2個1000M光口, 不小于12個10/100M電口，并為每臺環網交換機配置UPS不間斷電源，支持4小時延遲。

4）井下隔爆兼本安型環網交換機

隔爆兼本安通訊接口屬礦用隔爆兼本質安全型設備，可以在有甲烷、煤塵爆炸的危險環境中使用，為具備以太網接口或具備RS485通訊接口的設備提供信息交換渠道。設備提供8個以太網接口，2個千兆以太網光口，1個百兆以太網光口，3個本安10M/100M自適應以太網電口、2個本安標準RS485通訊接口，同時具備千兆以太網冗余功能，適合組建千兆骨干網絡。

5）交換機的網絡管理

交換機的網絡管理，可以采用赫思曼公司的網絡管理軟件HiVision，通過對網絡的全面監視，能夠實現綜合的負載和故障分析，也能發現網絡中可能存在的隱患并及時采取措施。

3 子系統軟硬件接入

3.1 硬件接入方式

根據控制點的分布、各信息化子系統的特點和接入技術的特點，有以下四種接入方式：

1）上位機接入

對于信息化系統比較簡單，沒有以太網接口，但有上位機，可以在該上位機上增加通訊以太網卡支持，與附近的交換機進行物理上的網絡聯接。上位機接入方式如圖3所示。

圖3 上位機接入方式

2）PLC接入

對于信息化系統采用PLC進行控制，可以對PLC增加以太網模塊，與交換機進行物理上的網絡聯接。PLC接入方式如圖4所示。

圖4 PLC接入方式

3）子網絡接入

對于信息化系統已經很成熟，并且自成網絡，對外有統一的以太網接口，可以通過此RJ45口與交換機進行物理上的網絡聯接。子網絡接入方式如圖5所示。

圖5 子網絡接入方式

4）擴展接入

對于信息化系統不僅沒有以太網接口，而且也沒有上位機，但該系統支持RS485或Prof i bus等現場總線，可以增加一臺接口轉換設備，通過擴展方式轉化成以太網接口與交換機進行物理上的網絡聯接。擴展接入方式如圖6所示。

圖6 擴展接入方式

3.2 軟件接入方式

在各個自動化系統與綜合信息化的千兆以太網進行物理上硬件網絡聯接以后，下一步要解決的就是通過軟件進行數據通訊，各自動化系統與采集服務器的數據通訊有四種方式：OPC通訊方式、驅動通訊方式、DDE/NetDDE方式和自主開發方式，但是最佳的方式是OPC通訊方式，并且需要提供OPC接口。

1）OPC通訊

OPC主要在制造自動化以及過程控制等領域得以廣泛應用。 OPC是以OLE/COM機制作為應用程序的通訊標準。OPC使接口函數得以規范，不管現場設備以何種形式存在，客戶都以統一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發中脫離出來。

如果該自動化系統具有上位機，并且該上位機軟件支持OPC SERVER，則可通過上位機軟件的OPC方式進行通訊。OPC通訊方式如圖7所示。

圖7 OPC通訊方式

2）驅動通訊

如果組態軟件支持該自動化系統的PLC的驅動，或者該PLC有基于OPC SERVER的驅動，則可以通過組態軟件直接與PLC通訊進行數據交換。驅動通訊方式如圖8所示。

圖8 驅動通訊方式

3）DDE/NetDDE

DDE/NetDDE通訊方式是一種標準的網絡接口，是MS Windows操作系統提供的一種動態數據動態數據交換信息通訊機制，它允許兩個應用程序通過連續自動的交換數據來進行對話。由于DDE方式本質存在的問題，基于DDE的數據通訊不夠穩定，因此，在涉及到關鍵過程或關鍵設備的監控過程中，不推薦使用DDE作為通訊方式。但是，DDE/NetDDE通訊方式易于實現和使用，且成本低，在一些不重要的數據通訊中仍然可以使用。DDE/NetDDE通訊方式如圖9所示。

圖9 DDE/NetDDE通訊方式

4）自主開發

對于以上條件都不滿足的情況，可以由自主開發，軟件開發資質是CMMI5級，全國最高，而且在煤礦綜合自動化軟件通訊開發中，成功與供電系統進行數據交換通訊，具有豐富的經驗。

3.3 線纜接入方式

由于各個子系統比較分散，而且在多雷擊、電磁干擾強、傳輸距離遠的不利條件下，實現可靠通訊，因此在接入時線纜連接方式根據實際情況有以下五種方式。

1）當地面自動化系統與主交換機的距離在100米之內時，通過雙絞線接入到環網中。

2）當地面自動化系統與主交換機的距離超過100米，采用單模光纖收發器或小交換機接入到環網中。

3）當井下自動化系統與主交換機的距離在100米之內時，通過礦用雙絞線接入到環網中。

4）當井下自動化系統與主交換機的距離超過100米，但該處只有1個系統接入時，采用礦用本安型數據光端機，通過單模光纖接入到環網中。數據光端機建議采用礦用隔爆兼本安不間斷電源，因為該電源供電時間較長。

5）當井下自動化系統與主交換機的距離超過100米，但該處有1個以上系統（包括網絡攝像頭）需要接入時，采用小型交換機，通過單模光纖接入到環網中。

4 結束語

本文選擇了適合煤礦企業特殊環境的工業以太環網，工業以太環網運行安全可靠穩定，選擇了性能可靠的礦用赫斯曼交換機，并對多種接入方式及通訊方式進行了研究和總結。最終建立了綜合信息化平臺構架，為后面子系統（例如運輸子系統、供電與排水子系統、安全監控子系統以及視頻調度系統等）的研究建立打下了堅實的基礎。

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