針對礦場安防系統(tǒng)傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)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(shí)時(shí)性、可靠性、開放性和可操作性，同時(shí)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(jì)算機(jī)互連，可以通過網(wǎng)絡(luò)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(shè)備組網(wǎng)，增強(qiáng)了對環(huán)境的適應(yīng)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(yīng)用于辦公自動(dòng)化,是在 20 世紀(jì) 70 年代研制開發(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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)首先要監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)繼續(xù)監(jiān)聽，檢測到?jīng)_突時(shí)立即停止發(fā)送并發(fā)出一個(gè)強(qiáng)化沖突的干擾信號，通知所有節(jié)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(jī)等待一段時(shí)間后再重新監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。
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(diǎn)都分別連接到一個(gè)交換式集線器的端口上，交換式集線器內(nèi)置一個(gè)復(fù)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(biāo)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(shù)的發(fā)展，為以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信提供了技術(shù)可能。所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn))兼容，但在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)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)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(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(yīng)用已取得下述成果：
(1) 針對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)信息短、周期性較強(qiáng)等特點(diǎn)和要求，基本解決了以太網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備間通信的關(guān)鍵技術(shù)。
① 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(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(shè)備層網(wǎng)絡(luò)微網(wǎng)段化等針對工業(yè)過程控制的通信實(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(xiàn)雙冗余環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)。
②采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術(shù)，設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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。
?、鄄捎镁W(wǎng)絡(luò)分層、控制區(qū)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(yuǎn)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(luò)隔離和安全過濾的現(xiàn)場控制器與系統(tǒng)主干相連，實(shí)現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網(wǎng)絡(luò)隔離。
?、莶捎梅稚⒔Y(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)、冗余、自診斷等可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)。
(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(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)”(草案)。
(3)針對工業(yè)現(xiàn)場控制應(yīng)用的特點(diǎn)，通過采用軟、硬件抗干擾、EMC設(shè)計(jì)措施，已開發(fā)出了基于以太網(wǎng)技術(shù)的傳輸和控制設(shè)備。
2、集散控制系統(tǒng)
集散控制系統(tǒng)(DCS)是一個(gè)由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計(jì)算機(jī)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(diǎn)：高可靠性、開放性、靈活性、易于維護(hù)、協(xié)調(diào)性和控制功能齊全及可以實(shí)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(yīng)用于很多集散控制系統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場。有以上技術(shù)作依托，光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)應(yīng)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(luò)結(jié)構(gòu)
▲圖1：光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)傳輸拓?fù)鋱D
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(gè)不等距離分布的節(jié)點(diǎn)(攝像機(jī))，連接到控制中心共計(jì)80臺(tái)MIE-5310交換機(jī)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(fù)載有效使用網(wǎng)絡(luò)帶寬，5個(gè)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(jī)上聯(lián)，MIER-3824使用1000M網(wǎng)口與存儲(chǔ)服務(wù)器連接，前端每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接6路網(wǎng)絡(luò)視頻和8路RS485控制信號(通過一臺(tái)ME-C1088串口服務(wù)器接入)。然后將所有的視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于中心四臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器。
如果在系統(tǒng)工作時(shí)連接介質(zhì)發(fā)生故障，環(huán)形結(jié)構(gòu)將在小于300ms時(shí)間內(nèi)切換網(wǎng)絡(luò)工作拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(gòu)不僅減少了風(fēng)險(xiǎn)，更降低了實(shí)現(xiàn)成本。
2、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
(1)前端設(shè)備
MIE-5310交換機(jī)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(tǒng)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(jī)上聯(lián)，7個(gè)普通的10/100Base-T的雙絞線端口。6路視頻信號通過網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)接到MIE-5310的6個(gè)100M網(wǎng)口上。由于具有自適應(yīng)功能，每個(gè)端口能自動(dòng)的設(shè)置到10BASE-TX或100BASE-TX狀態(tài)及全雙工或半雙工的運(yùn)行模式。提供24V電源冗余，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)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(jī)的云臺(tái)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(jī)-存儲(chǔ)服務(wù)器
中心使用兩臺(tái)MIER-3824核心三層千兆交換機(jī)，用于匯集5個(gè)環(huán)網(wǎng)的視頻，四臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器與核心交換機(jī)使用1000M端口連接。每存儲(chǔ)服務(wù)器匯集115個(gè)節(jié)點(diǎn)的視頻信號，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)速率在6Mbps時(shí)，每臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器負(fù)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(gè)節(jié)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(jié)點(diǎn)通過ME-C1088提供8個(gè)RS485數(shù)據(jù)口用于控制云臺(tái)及除塵設(shè)備，每個(gè)RS485口負(fù)責(zé)一個(gè)攝像機(jī)。
(3)中心端兩臺(tái)千兆核心交換機(jī)背板帶寬為64Gbps，每個(gè)端口均可提供1000Mbps的通信速率，負(fù)責(zé)所有攝像機(jī)視頻的安全傳輸。
(4)四臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器每臺(tái)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)115臺(tái)攝像機(jī)的視頻，并將460臺(tái)攝像機(jī)分為5個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)來傳輸，達(dá)到均衡負(fù)載的目的。
(5)管理人員可以在中心端實(shí)時(shí)監(jiān)控單個(gè)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)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(jié)構(gòu)，有一段不傳輸數(shù)據(jù)，只傳輸環(huán)上設(shè)備各自的狀態(tài)。環(huán)上的每一個(gè)設(shè)備都知道并隨時(shí)向其他設(shè)備報(bào)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(jī)會(huì)馬上通知其他交換機(jī)，以極短的時(shí)間將這一信息傳遍全網(wǎng)。作為“根”的交換機(jī)就會(huì)實(shí)行切換，就是原來沒有數(shù)據(jù)通過的那段鏈路馬上進(jìn)行數(shù)據(jù)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(xiàn)冗余。當(dāng)損壞的網(wǎng)絡(luò)修復(fù)后，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)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(gòu)方案如圖2所示，當(dāng)主環(huán)光纖鏈路出現(xiàn)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(tǒng)正常運(yùn)行。故障修復(fù)后系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)。
(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(jī)會(huì)自動(dòng)將光纖鏈路環(huán)回，形成兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)形網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)鏈路的自愈，使系統(tǒng)保持正常的運(yùn)行。待故障解除后光端機(jī)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)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(tái)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(chǔ)和長期的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，以及目前所有流行的操作系統(tǒng)和應(yīng)用也都與之兼容;二因以太網(wǎng)是標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)營成本均較低。另外，以太網(wǎng)的擴(kuò)展性好，且可靠性較高。以太網(wǎng)是與媒體無關(guān)的承載技術(shù)，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(shè)的組網(wǎng)要求。
從結(jié)構(gòu)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(luò)邊界處的格式變換。從管理上看，由于同樣的系統(tǒng)可以應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層面上，網(wǎng)絡(luò)管理可以大大簡化。因此，滿足了礦場周界系統(tǒng)不斷建設(shè)和不斷引進(jìn)新技術(shù)和新設(shè)備的要求。
本周界系統(tǒng)的傳輸平臺(tái)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(nèi)檢測到網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的狀態(tài)，并通知到所有網(wǎng)員，保證網(wǎng)絡(luò)在300MS內(nèi)完成網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。
(2)雙纖雙網(wǎng)冗余技術(shù)
采用冗余切換的技術(shù)的設(shè)備，可以完成雙纖冗余網(wǎng)絡(luò)、雙纖雙網(wǎng)冗余。所有節(jié)點(diǎn)互為備份的工業(yè)交換機(jī)可以采用特定的接口進(jìn)行互連。形成多網(wǎng)孔的結(jié)構(gòu)，以保證網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)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(tǒng)可以配置為局端、遠(yuǎn)端和備份局端。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障導(dǎo)致局端失效，備份局端在0.2秒之內(nèi)自動(dòng)升為局端，保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行;一旦網(wǎng)絡(luò)故障排除，原來的局端恢復(fù)正常工作，備份局端站會(huì)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(shù)為基礎(chǔ)，較為詳細(xì)的敘述了光纖工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)技術(shù)在礦場周界集散控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，論述了系統(tǒng)的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)。本文對礦場周界系統(tǒng)的傳輸平臺(tái)建設(shè)有一定的實(shí)用價(jià)值。