工业以太环网在金属矿山井下“三网合一”的应用

刘帅

（江西瑞林电气自动化有限公司，江西南昌 330031）

工业以太环网在金属矿山井下“三网合一”的应用

刘帅

（江西瑞林电气自动化有限公司，江西南昌 330031）

介绍了基于光纤为传输介质的工业以太环网应用于井下"三网合一"的方案。该方案解决了金属矿山井下生产中语音、数据和视频信号在"三网合一"后网络的可靠性和实时性,以及如何满足信号传输距离远、传输带宽需求大的问题。

工业以太环网；语音信号；数据信号；视频信号；干线传输

近年来,井下安全避险“六大系统”的大规模建设,使得国内各金属矿山井下生产辅助系统日趋增多。由地面向井下分子系统大规模敷设电缆已经给国内各金属矿山企业带来沉重的建设投资负担和繁重的日常维护工作。如何在保障井下安全生产的同时,简化系统传输方式、降低建设投资、减轻日常维护工作成为矿山建设的重要诉求之一,搭建一个集语音、数据和视频信号为一体的工业传输网络也成为矿山建设发展的必然趋势。

1 工业以太网的概念和环网架构

数字视频技术和电话语音数字化技术的广泛应用,使得语音、数据和视频信号进行“三网合一”成为现实,但高清视频信号传输所需的高带宽和金属矿山井下开拓巷道的弯道多、分支多的特点,使得以铜缆为传输介质的网络干线成为井下工业网络数据传输的瓶颈。如何搭建一个可靠性高、实时性强、传输距离远和传输带宽大的工业网络将直接影响企业生产的效率。基于光纤为传输介质的工业以太环网可充分满足“三网合一”的需求。

以太网是基于IEEE 802.3标准[1]、应用广泛的标准化通信结构,采用多种通信介质(同轴电缆、双线电缆、光纤、无线电)进行通信[2]。工业以太网则是将以太网技术应用于工业控制系统,其在技术上与商业以太网兼容,但在产品设计时,在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面需要能够满足工业现场的需要,也就是满足环境性、可靠性、安全性以及安装方便等要求的以太网,其拓扑结构可以是总线型、星形和环形。

工业以太环网即由环网交换机和链接交换机的链路组成一个闭合环。典型的工业以太环网交换机包含两个或两个以上的链接接口,分别通过双绞线或光纤与相邻的节点链接,组成一个闭合环，其架构示意如图1所示。

图1 工业以太环网架构示意

2 光纤工业以太环网的优势

以光纤为传输介质的工业以太环网作为井下安全生产所需各系统的骨干网络,具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点。其优势主要表现在：1)工业以太环网是一个全开放、全数字化网络,遵照TCP/IP网络协议,不同厂商的设备可以很容易实现互联。2)工业以太环网能实现井下工业控制网络与通信系统、人员定位系统和监测监控系统网络，以及企业信息网络的无缝连接，形成企业内管控一体化的集成式全开放网络。3)利用波分复用技术[3]，可以在一根光纤上同时传输不同波长的几个甚至几百个光载波信号,不仅能充分利用光纤的宽带资源，增加系统的传输容量,而且还能提高系统的经济效益[4]。当包含视频监控系统在内时,井下多系统融合后的网络干线的建设成本和运营维护成本都远低于以铜缆为干线传输介质的网络。4）传输速率高，10～100 Mb/s的快速以太网已被广泛应用,千兆以太网技术也逐渐成熟。相比传统的现场总线只有12 Mb/s的最高速率(如西门子Profibus-DP)，以太网的传输速率显然远比传统现场总线要快得多,完全可以满足井下各系统不断增长的带宽要求。5)工业以太环网具有自愈性能,线路任一断开故障都能在<20 ms的时间内自动恢复通信,且在各端口并发输入总和不超过千兆带宽的情况下,各子系统的传输等同于传统的独占方式的特性,使得工业以太环网具有较高的安全性和可靠性。6)在扩展性方面,工业以太环网可以集成各种工业现场总线的子系统。新增子系统时,只需增加该系统前端到交换机的接口。

3 工程应用示例

“三网合一”的主要目的是将语音、数据和视频信号原本需要分成三个网络分别传输的信号合并在一个公共网络中传输,那么网络结构、干线传输的有效距离、各信号的传输速率,以及网络的建设成本成为选择工业以太网传输干线所需介质的主要因数。

以国内某金属矿山为例,该矿地表井口调度监控中心标高为±0.000,一期井下开采中段共3个,分别为-145 m、-225 m和-315 m中段,分别利用副井和回风井作为井下和地面联络用各系统传输线缆的敷设通道,各中段主巷道长度均约为1.1 km。本矿山井下共设有本安型网络摄像仪(720P)20台,CO传感器12台,风速传感器6台,负压传感器4台,风机开停传感器18台,人员定位分站25台,有线调度电话分机45部。

首先在网络结构上,根据《金属非金属地下矿山通信联络系统建设规范》(AQ2036-2011)中“通信线缆应分设两条,从不同的井筒进入井下配线设备,其中任何一条通信线缆发生故障时,另外一条线缆的容量应能担负井下各通信终端的通信能力”的要求,井下工业以太网必须保证分别从两个不同的井筒各敷设一条干线传输链路,并互为冗余。不论采用总线型还是星形网络结构,都会增加井下线缆的数量和调度监控中心进/出户线缆的数量,从而增加了施工难度和建设成本,增大了线缆敷设所需的空间,使得井下有限的管线敷设空间更加紧张。而采用环网结构,整个网络只需要一对光纤就可以将整个网络链路搭建完毕,该链路既是数据传输的主链路,又是冗余链路,从而有效地节省了线缆敷设空间,节约了建设成本,降低了施工难度。同时,当网络中某段光纤线路被破坏或相应的网络设备发生故障时,工业以太环网结构以<300 ms的传输路径倒换时间,做到了近似无缝的网络自愈。该矿井下工业以太环网结构如图2所示。

图2 井下工业以太环网结构

其次在传输距离上,由图 2可知该矿井下工业以太环网干线传输距离最长段为 1.1 km。以PROFIBUS总线和CAN总线为例,不论采用其中任何一种作为工业以太网干线的传输介质来传输数据，其传输距离都与传输速率的提升成反比,详见表1。为了提高其传输距离就必须在线路中增加总线中继器,这将导致系统线路的故障点增多,从而导致工业以太网的建设成本和后期维护费用都会大幅提高。而光纤在不添加任何中继设备的情况下,多模光纤的传输距离为2～4 km,单模光纤的传输距离可达到20 km以上。因此,光纤作为一种生产成本低廉、传输距离远的传输介质必定取代铜缆。

表1 PROFIBUS和CAN总线理论传输距离

最后在传输带宽上,1路720P清晰度的网络摄像机的码流一般为4 Mbit/s,20台720P清晰度的网络摄像机所需要的带宽为80 Mbps；1路电话语音数字化后的数字音频带宽为64 kbit/s,井下调度电话所需数字音频带宽约为2.8 Mbps;而矿井监测、控制信息的数据量相对较小,其总的数据信息量峰值不会超过3 Mbps。由此可见,在“三网合一”中占用带宽比例最大的为视频数据,但是PROFIBUS总线和CAN总线的带宽均不超过12.5 Mbps,远不能满足视频信号传输的带宽需求。而一芯光纤的传输带宽可达到1 Gbps,按局域网有效带宽为理论带宽的30%来推算,一芯光纤可传输的有效带宽为300 Mbps,完全可以满足矿山井下“三网合一”的带宽需求。

综上所述,基于光纤为传输介质的工业以太环网已从本质上解决金属矿山井下“三网合一”后信号传输距离远、传输带宽需求大的问题,必将成为针对金属矿山井下“三网合一”组网的一种有效解决方案。

4 结束语

随着计算机技术、控制技术和网络技术的发展,控制系统已渐渐融入现代矿山生产中,以基础信息数字化、生产过程虚拟化、管理控制一体化、决策处理集成化为特点的数字化矿山的概念孕育而生,并于2008年末被列为国家“863计划”。国内金属矿山井下现场设备向数字化、智能化和网络化升级改造已成为一种行业趋势,井下各系统的“三网合一”已成为现代化金属矿山工业网络建设的强烈需求,基于光纤为传输介质的工业以太环网以其组网灵活、建设成本低、可靠性高、传输距离远和传输带宽大的优点,已逐渐成为国内各金属矿山井下工业网络搭建的首选方案,并必将成为未来国内金属矿山井下“三网合一”的主导网络结构。

[1] 李国厚.以太网在工业控制中的应用综述[J].可编程控制器与工厂自动化,2006(3):23-25.

[2] 博尔曼,希尔根坎普.工业以太网的原理与应用[M].杜品圣,译.北京:国防工业出版社,2011.

[3] 徐晓庚.高速光纤通信系统传输特性研究[D].武汉:华中科技大学,2006.

[4] 王筱超.基于光纤传输技术的矿用工业以太网的可靠性研究[D].郑州:河南理工大学,2010.

Multiple Play Application of Industry Ethernet Ring Network in Metal Underground Mine

LIU Shuai
(Jiangxi Nerin Electric&Automation Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Introduce the scheme that multiple play application of industry Ethernet ring network in underground mine with optical fiber as transmission medium.This scheme improve the reliability and instantaneity of voice,data and video signal for underground mine and solve the problem that how to satisfy a long distance signal transmission and how to meet transmission bandwidth requirement after carrying out multiple play.

industry Ethernet ring network;voice signal;digital signal;video signal;trunk transmission

TN915

B

1004-4345(2014)04-0037-03

2014-04-28

江西省科技支撑计划项目(2010BGA02500)。

刘 帅(1981—),男,工程师,主要从事通信工程设计与研究工作。