工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)在金屬礦山井下“三網(wǎng)合一”的應(yīng)用

劉帥

（江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌 330031）

工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)在金屬礦山井下“三網(wǎng)合一”的應(yīng)用

劉帥

（江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌 330031）

介紹了基于光纖為傳輸介質(zhì)的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)應(yīng)用于井下"三網(wǎng)合一"的方案。該方案解決了金屬礦山井下生產(chǎn)中語音、數(shù)據(jù)和視頻信號在"三網(wǎng)合一"后網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實時性,以及如何滿足信號傳輸距離遠、傳輸帶寬需求大的問題。

工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)；語音信號；數(shù)據(jù)信號；視頻信號；干線傳輸

近年來,井下安全避險“六大系統(tǒng)”的大規(guī)模建設(shè),使得國內(nèi)各金屬礦山井下生產(chǎn)輔助系統(tǒng)日趨增多。由地面向井下分子系統(tǒng)大規(guī)模敷設(shè)電纜已經(jīng)給國內(nèi)各金屬礦山企業(yè)帶來沉重的建設(shè)投資負(fù)擔(dān)和繁重的日常維護工作。如何在保障井下安全生產(chǎn)的同時,簡化系統(tǒng)傳輸方式、降低建設(shè)投資、減輕日常維護工作成為礦山建設(shè)的重要訴求之一,搭建一個集語音、數(shù)據(jù)和視頻信號為一體的工業(yè)傳輸網(wǎng)絡(luò)也成為礦山建設(shè)發(fā)展的必然趨勢。

1 工業(yè)以太網(wǎng)的概念和環(huán)網(wǎng)架構(gòu)

數(shù)字視頻技術(shù)和電話語音數(shù)字化技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使得語音、數(shù)據(jù)和視頻信號進行“三網(wǎng)合一”成為現(xiàn)實,但高清視頻信號傳輸所需的高帶寬和金屬礦山井下開拓巷道的彎道多、分支多的特點,使得以銅纜為傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)干線成為井下工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。如何搭建一個可靠性高、實時性強、傳輸距離遠和傳輸帶寬大的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將直接影響企業(yè)生產(chǎn)的效率?；诠饫w為傳輸介質(zhì)的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)可充分滿足“三網(wǎng)合一”的需求。

以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)[1]、應(yīng)用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)化通信結(jié)構(gòu),采用多種通信介質(zhì)(同軸電纜、雙線電纜、光纖、無線電)進行通信[2]。工業(yè)以太網(wǎng)則是將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng),其在技術(shù)上與商業(yè)以太網(wǎng)兼容,但在產(chǎn)品設(shè)計時,在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性等方面需要能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要,也就是滿足環(huán)境性、可靠性、安全性以及安裝方便等要求的以太網(wǎng),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型、星形和環(huán)形。

工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)即由環(huán)網(wǎng)交換機和鏈接交換機的鏈路組成一個閉合環(huán)。典型的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機包含兩個或兩個以上的鏈接接口,分別通過雙絞線或光纖與相鄰的節(jié)點鏈接,組成一個閉合環(huán)，其架構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)架構(gòu)示意

2 光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的優(yōu)勢

以光纖為傳輸介質(zhì)的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)作為井下安全生產(chǎn)所需各系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò),具有價格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛以及支持技術(shù)成熟等優(yōu)點。其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：1)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)是一個全開放、全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò),遵照TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,不同廠商的設(shè)備可以很容易實現(xiàn)互聯(lián)。2)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)能實現(xiàn)井下工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，以及企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，形成企業(yè)內(nèi)管控一體化的集成式全開放網(wǎng)絡(luò)。3)利用波分復(fù)用技術(shù)[3]，可以在一根光纖上同時傳輸不同波長的幾個甚至幾百個光載波信號,不僅能充分利用光纖的寬帶資源，增加系統(tǒng)的傳輸容量,而且還能提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益[4]。當(dāng)包含視頻監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)時,井下多系統(tǒng)融合后的網(wǎng)絡(luò)干線的建設(shè)成本和運營維護成本都遠低于以銅纜為干線傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)。4）傳輸速率高，10～100 Mb/s的快速以太網(wǎng)已被廣泛應(yīng)用,千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟。相比傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線只有12 Mb/s的最高速率(如西門子Profibus-DP)，以太網(wǎng)的傳輸速率顯然遠比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線要快得多,完全可以滿足井下各系統(tǒng)不斷增長的帶寬要求。5)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)具有自愈性能,線路任一斷開故障都能在<20 ms的時間內(nèi)自動恢復(fù)通信,且在各端口并發(fā)輸入總和不超過千兆帶寬的情況下,各子系統(tǒng)的傳輸?shù)韧趥鹘y(tǒng)的獨占方式的特性,使得工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)具有較高的安全性和可靠性。6)在擴展性方面,工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)可以集成各種工業(yè)現(xiàn)場總線的子系統(tǒng)。新增子系統(tǒng)時,只需增加該系統(tǒng)前端到交換機的接口。

3 工程應(yīng)用示例

“三網(wǎng)合一”的主要目的是將語音、數(shù)據(jù)和視頻信號原本需要分成三個網(wǎng)絡(luò)分別傳輸?shù)男盘柡喜⒃谝粋€公共網(wǎng)絡(luò)中傳輸,那么網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、干線傳輸?shù)挠行Ь嚯x、各信號的傳輸速率,以及網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本成為選擇工業(yè)以太網(wǎng)傳輸干線所需介質(zhì)的主要因數(shù)。

以國內(nèi)某金屬礦山為例,該礦地表井口調(diào)度監(jiān)控中心標(biāo)高為±0.000,一期井下開采中段共3個,分別為-145 m、-225 m和-315 m中段,分別利用副井和回風(fēng)井作為井下和地面聯(lián)絡(luò)用各系統(tǒng)傳輸線纜的敷設(shè)通道,各中段主巷道長度均約為1.1 km。本礦山井下共設(shè)有本安型網(wǎng)絡(luò)攝像儀(720P)20臺,CO傳感器12臺,風(fēng)速傳感器6臺,負(fù)壓傳感器4臺,風(fēng)機開停傳感器18臺,人員定位分站25臺,有線調(diào)度電話分機45部。

首先在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上,根據(jù)《金屬非金屬地下礦山通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》(AQ2036-2011)中“通信線纜應(yīng)分設(shè)兩條,從不同的井筒進入井下配線設(shè)備,其中任何一條通信線纜發(fā)生故障時,另外一條線纜的容量應(yīng)能擔(dān)負(fù)井下各通信終端的通信能力”的要求,井下工業(yè)以太網(wǎng)必須保證分別從兩個不同的井筒各敷設(shè)一條干線傳輸鏈路,并互為冗余。不論采用總線型還是星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),都會增加井下線纜的數(shù)量和調(diào)度監(jiān)控中心進/出戶線纜的數(shù)量,從而增加了施工難度和建設(shè)成本,增大了線纜敷設(shè)所需的空間,使得井下有限的管線敷設(shè)空間更加緊張。而采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),整個網(wǎng)絡(luò)只需要一對光纖就可以將整個網(wǎng)絡(luò)鏈路搭建完畢,該鏈路既是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹麈溌?又是冗余鏈路,從而有效地節(jié)省了線纜敷設(shè)空間,節(jié)約了建設(shè)成本,降低了施工難度。同時,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某段光纖線路被破壞或相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障時,工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)以<300 ms的傳輸路徑倒換時間,做到了近似無縫的網(wǎng)絡(luò)自愈。該礦井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

其次在傳輸距離上,由圖 2可知該礦井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)干線傳輸距離最長段為 1.1 km。以PROFIBUS總線和CAN總線為例,不論采用其中任何一種作為工業(yè)以太網(wǎng)干線的傳輸介質(zhì)來傳輸數(shù)據(jù)，其傳輸距離都與傳輸速率的提升成反比,詳見表1。為了提高其傳輸距離就必須在線路中增加總線中繼器,這將導(dǎo)致系統(tǒng)線路的故障點增多,從而導(dǎo)致工業(yè)以太網(wǎng)的建設(shè)成本和后期維護費用都會大幅提高。而光纖在不添加任何中繼設(shè)備的情況下,多模光纖的傳輸距離為2～4 km,單模光纖的傳輸距離可達到20 km以上。因此,光纖作為一種生產(chǎn)成本低廉、傳輸距離遠的傳輸介質(zhì)必定取代銅纜。

表1 PROFIBUS和CAN總線理論傳輸距離

最后在傳輸帶寬上,1路720P清晰度的網(wǎng)絡(luò)攝像機的碼流一般為4 Mbit/s,20臺720P清晰度的網(wǎng)絡(luò)攝像機所需要的帶寬為80 Mbps；1路電話語音數(shù)字化后的數(shù)字音頻帶寬為64 kbit/s,井下調(diào)度電話所需數(shù)字音頻帶寬約為2.8 Mbps;而礦井監(jiān)測、控制信息的數(shù)據(jù)量相對較小,其總的數(shù)據(jù)信息量峰值不會超過3 Mbps。由此可見,在“三網(wǎng)合一”中占用帶寬比例最大的為視頻數(shù)據(jù),但是PROFIBUS總線和CAN總線的帶寬均不超過12.5 Mbps,遠不能滿足視頻信號傳輸?shù)膸捫枨?。而一芯光纖的傳輸帶寬可達到1 Gbps,按局域網(wǎng)有效帶寬為理論帶寬的30%來推算,一芯光纖可傳輸?shù)挠行挒?00 Mbps,完全可以滿足礦山井下“三網(wǎng)合一”的帶寬需求。

綜上所述,基于光纖為傳輸介質(zhì)的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)已從本質(zhì)上解決金屬礦山井下“三網(wǎng)合一”后信號傳輸距離遠、傳輸帶寬需求大的問題,必將成為針對金屬礦山井下“三網(wǎng)合一”組網(wǎng)的一種有效解決方案。

4 結(jié)束語

隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,控制系統(tǒng)已漸漸融入現(xiàn)代礦山生產(chǎn)中,以基礎(chǔ)信息數(shù)字化、生產(chǎn)過程虛擬化、管理控制一體化、決策處理集成化為特點的數(shù)字化礦山的概念孕育而生,并于2008年末被列為國家“863計劃”。國內(nèi)金屬礦山井下現(xiàn)場設(shè)備向數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化升級改造已成為一種行業(yè)趨勢,井下各系統(tǒng)的“三網(wǎng)合一”已成為現(xiàn)代化金屬礦山工業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的強烈需求,基于光纖為傳輸介質(zhì)的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)以其組網(wǎng)靈活、建設(shè)成本低、可靠性高、傳輸距離遠和傳輸帶寬大的優(yōu)點,已逐漸成為國內(nèi)各金屬礦山井下工業(yè)網(wǎng)絡(luò)搭建的首選方案,并必將成為未來國內(nèi)金屬礦山井下“三網(wǎng)合一”的主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

[1] 李國厚.以太網(wǎng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用綜述[J].可編程控制器與工廠自動化,2006(3):23-25.

[2] 博爾曼,希爾根坎普.工業(yè)以太網(wǎng)的原理與應(yīng)用[M].杜品圣,譯.北京:國防工業(yè)出版社,2011.

[3] 徐曉庚.高速光纖通信系統(tǒng)傳輸特性研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2006.

[4] 王筱超.基于光纖傳輸技術(shù)的礦用工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性研究[D].鄭州:河南理工大學(xué),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

江西省科技支撐計劃項目(2010BGA02500)。

劉 帥(1981—),男,工程師,主要從事通信工程設(shè)計與研究工作。