1、工業以太環網設計技術指導文件1.1概述掌石溝煤業是基本實現機械化生產，具有復雜生產系統的礦井，為提高礦井 的生產效率，對礦井綜采工作面、順槽膠帶、主運輸系統、通風機房、井下變電 所等環節實施統一操作、集中監控、統一調度。各礦綜合自動化系統，根據管控 一體化思想，以三層網絡為基礎，結合自動化、信息、計算機、網絡、通訊的新 理論和技術，采用世界先進的自動化產品、網絡產品和工業控制軟件、數據庫軟 件，將煤礦生產、管理的各個環節，統一在一個網絡平臺上，形成一個統一、完 整的有機整體，使其在系統結構、網絡通訊、自動化覆蓋范圍方面處于同類礦井 的領先水平。設計綜述掌石溝煤業綜合自動化控制網絡系統的建設應遵

2、循數字化、高速化、智能 化、標準化、安全可靠、易擴充升級的原則進行設計，同時充分考慮公司綜合自 動化系統總體規劃和綜合自動化系統網絡建設的現狀。對于掌石溝煤業工業綜合自動化平臺網絡系統， 在井上和井下設置的高速以 太環網，主鏈路采用千兆光纖。在核心層采用千兆工業以太網技術，通過千兆鏈 路將各環網的交換設備連接到網絡系統的核心層次，同時具備高冗余性能。各環網結點主要是連接結點交換機附近的工業設備，以達到控制和信息 采集的目的信息層：建設信息管理網，采用標準 TCP/IP協議和以太網技術。實 現礦區各個管理部門的網絡連接，實現人、財、物以及工程施工全過程管理的綜合自動化，能對煤炭的生產狀況進行實時

3、監視 ,為管理決策提供依據。 控制層：建設綜合自動化控制網，采用工業以太環網+ 現場工業總線來實現，實現將井上和井下區域控制器和設備監控站所采集的信息和控制信號傳送 給有關系統。設備層：在設備控制層主要是煤礦各專業控制子系統。1.2 控制層網絡設備的技術與產品選型本技術指導文件將采用基于以太網 TCP/IP 的工業以太網技術，傳輸介質采 用層絞式礦用阻燃型光纜，網絡結構采用基于光纖工業以太網的環形架構。1.2.1 技術選擇現代煤礦的生產監控管理系統中往往使用到多家廠商提供的多種不同類型 的設備，為了達到方便管理， 保證系統運行穩定的目的， 必須選擇一個開放的通 信平臺，并將各種不同類型設備的通

4、信統一到這一標準通信平臺之上。 為保證良 好的兼容性和可擴充性， 建議使用以太網 TCP/IP 技術作為整個系統的通信標準。 如有其他類型的通信格式，如 RS232 RS485或其他專用通信接口等等，均可通 過協議網關轉換為以太網信息包，在 IP 網絡上進行傳送。以太網 TCP/IP 技術 具有以下的優勢：隨著企業的發展、各種新技術的應用，可以預見，對網絡的帶寬要求也 會越來越高，比如基于網絡的視頻監控傳輸應用和井下設備信息數據采集等都需 要進行大量數據的傳輸。以太網技術具有相當高的數據傳輸速率（目前已有成功案例應用于井下工業環境下的以太網交換機 ），能提供足夠的帶寬。能在同一總線上運行不同的

5、傳輸協議，從而能建立企業的公共網絡平臺 或基礎構架。支持交互式和開放的數據存取技術。沿用多年，已為眾多的技術人員所熟悉，市場上能提供廣泛的設置、維 護和診斷工具，成為事實上的統一標準。允許使用不同的物理介質和構成不同的拓撲結構。以太網早期存在不確定性和實時性能欠佳的問題， 已通過智能交換機的使用、 主動切換功能的實現、 優先權的引入等， 基本上得到了解決。 通過提高數據傳輸 速率，仔細地選擇網絡的拓撲結構、設置服務質量（QOS ）等，從而保證數據傳 輸的準確性和實時性。因此，本技術指導文件選擇工業以太環網組網技術作為綜合自動化控制網的 技術選型。1.3 冗余工業以太網網絡設計1.3.1 綜述隨

6、著網絡化、 綜合自動化概念向自動化領域的不斷滲透， 自動化控制理念和 技術也在不斷發展。在上世紀末新型的現場總線控制系統突破了 DCS 系統中通 信由專用網絡的封閉系統實現所造成的缺陷， 試圖將基于封閉、 專用的解決技術 指導文件變成了基于公開化、標準化的解決技術指導文件。此后，上位機、 PLC 和現場總線構成的集散監控系統逐步成為自動化的主流。 但由于不同行業不同應 用派生出的不同的總線系統， 加之經濟利益的沖突， 各種不同的現場總線標準之 間的互不兼容嚴重束縛了不同廠商設備之間的互連， 使得現場總線成為受廠商限 制的專用網絡。隨著以太網技術的不斷發展， 它不僅在辦公自動化領域而且在工業自動

7、化場 合得到了廣泛應用，許多控制器、PLC、智能儀表、DCS系統已經帶有以太網接 口，這些都標志著工業以太網已經成為真正開放互連的工業網絡的發展方向。 采 用的基于工業以太網的集成式全分布控制系統， 具有高度的分散性、 實時性、 可 靠性、開放性和互操作性的特點， 因此，本技術指導文件采用工業以太網技術進 行綜合自動化控制網的設計。1.3.2 工業以太網的特點及安全要求雖然脫胎于 Intranet、 Internet 等類型的信息網絡，但是工業以太網是面向生 產過程，對實時性、可靠性、安全性和數據完整性有很高的要求。（1）工業以太網是一個網絡控制系統， 實時性要求高，網絡傳輸要有確定性。（2）

8、整個企業網絡按功能可分為處于管理層的通用以太網和處于監控層的工 業以太網以及現場設備層 （如現場總線） 。管理層通用以太網可以與控制層的工 業以太網交換數據，上下網段采用相同協議自由通信。（3）工業以太網中周期與非周期信息同時存在， 各自有不同的要求。 周期信 息的傳輸通常具有順序性要求， 而非周期信息有優先級要求， 如報警信息是需要 立即響應的。（4） 工業以太網要為緊要任務提供最低限度的性能保證服務，同時也要為非 緊要任務提供盡力服務，所以工業以太網同時具有實時協議也具有非實時協議。1.3.3 工業以太網的應用安全問題分析（1）在傳統工業工業以太網中上下網段使用不同的協議無法互操作，所以使

9、用一層防火墻防止來自外部的非法訪問， 但工業以太網將控制層和管理層連接起 來，上 下網段使用相同的協議，具有互操作性，所以使用兩級防火墻，第二級 的防火墻用于屏蔽內部網絡的非法訪問和分配不同權限合法用戶的不同授權。 另 外還可用根據 日志記錄調整過濾和登錄策略。要采取嚴格的權限管理措施，可以根據部門分配權限，也可以根據操作分配 權限。由于工廠應用專業性很強，進行權限 管理能有效避免非授權操作。同時 要對關鍵性工作站的操作系統的訪問加以限制， 采用內置的設備管理系統必須擁 有記錄審查功能，數據庫自動記錄設備參數修改事 件：誰修改，修改的理由， 修改之前和之后的參數，從而可以有據可查。（ 2）在工

10、業以太網的應用中可以采用加密的方式來防止關鍵信息竊取。目前主要存在兩種密碼體制： 對稱密碼體制和非對稱密碼體制。 對稱密碼體制中加 密解密雙方使用相同的密鑰且密鑰保密，由于在通信之前必須完成密鑰的分發， 該體制中這一環節是不安全的。 所以采用非對稱密碼體制， 由于工業以太網發送 的多為周期性的短信息， 所以采用這種加密方式還是比較迅速的。 對于工業以太 網來說是可行的。還要對外部節點的接入加以防范。（ 3）工業以太網的實時性目前主要是由以下幾點保證： 限制工業以太網的通 信負荷，采用 1000M 的快速以太網技術提高帶寬，采用交換式以太網技術和全 雙工通信方式屏蔽固有的 CSMA/CD 機制。

11、隨著網絡的開放互連和自動化系統大 量 IT 技術的引入，加上 TCP/IP 協議本身的開放性和層出不窮的網絡病毒和攻 擊 手段，網絡安全可以成為影響工業以太網實時性的一個突出問題。1.3.4 綜合自動化網絡冗余方式選型MOXA交換機的超級環網僅僅在切換中已傳遞的數據延遲20ms而已，沒有 數據丟失的問題。 選擇單環單節點冗余網絡是基于對現場各個控制系統的了解及比較決定的。因為要做到比單環單節點冗余網絡更加可靠的環網， 就要選擇雙環網結構， 所以 各礦選擇既經濟又可靠的單環單節點冗余結構。本次規劃采用單環單節點組網方式，兼顧了可靠性與經濟性。 光纖環網冗余結構通過建立一個環狀的光纖以太網結構來實

12、現網絡冗余， 減 少網絡單點故障，增強整個通信網絡在突發情況下的生存能力。1.3.5 網絡產品的選型1. 信息管理網絡產品選擇 考慮到信息管理網絡對網絡設備的性能、 功能要求較高， 建議采用目前市場 主流的網御星云公司的網絡設備。2. 綜合自動化控制網絡產品選擇 由于工業環境（如煤礦等行業）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工業環境的要求，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，本技術指導文件采用臺灣 MOXA 公司的工業以太網交換機系列。MOXA 工業級交換機產品特點：1、有工

13、業級核心交換機，帶寬萬兆級別可承上啟下，無信息傳輸瓶頸。2、可以建立多環，系統帶寬隨環數倍數增加，方便擴容。3、交換機電磁兼容性、工作溫度、平均工作時間等指標是其他設備無法達到的。摩沙公司的工業以太網交換機EDS618A和核心交換機PT7728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工作現場的要求。摩沙網絡產品還支持多種網絡拓撲結構和多重冗余方式，如（單）環網冗余、 單環雙節點冗余、雙總線冗余、雙環網冗余和環間冗余。所有冗余結構在切換時， 已傳遞的數據延遲小于100ms不會造成數據丟失的問題。1）

14、網絡架構核心設備一一工業以太環網交換機要求以下設備具體配置要求以設備清單為準。中央核心交換機PT7728（ 2臺互為冗余）PowerTrans PT-7728是一款高性能的交換機。PT-7728滿足變電站自動化系統（IEC 61850-3 IEEE 1613）、交通控制系統（NEMA TS2 ）和軌道交通系統（EN50121-4）的需求。PT-7728可組建高性能的千兆以太網骨干網絡、冗余環網，它具備24/48 VDC或110/220 VDC/VAC冗余電源輸入的功能，在提高網絡通信穩定性的同時還可以節省布線。PT-7728模塊化的設計為用戶提供更加輕松 的組網方式，4個千兆端口和24個以太網

15、口讓您在組建網絡時更加靈活。PT-7728 還可以選擇前/后出線的方式，非常適合您的各種應用。支持虛擬局域網技術（VLAN ）:使用虛擬局域網技術，通過將網絡劃分為獨立的子網，可以有效的降低網絡的負荷，提高網絡的通訊效率，它具有以下特點：-支持 Turbo Ring 和 RSTP/STP（ IEEE802.1W/D）-IGMP Snooping和GMRP過濾多播封包7 / 14-支持基于端口的 VLAN、IEEE 802.1Q VLAN 和GVRP協議，輕松實現網絡管理-通過 QoS-IEEE 802.1p/1Q 和 TOS/DiffServ 提升決策機制-采用802.3ad LACP優化網絡

16、帶寬-支持IEEE 802.1X和https/SSL，增強網絡安全性-SNMP V1/V2c/V3用于不同級別的網絡管理-采用RMON提升網絡監控能力-ABC-01自動備份配置器-帶寬管理可以阻止不可預料的網絡狀態，端口鎖定只允許授權的MAC地址訪問-端口鏡像用于在線調試-異常事件通過E-mail和繼電器自動輸出報警-自動恢復連接設備的IP地址-Li ne-swap快速恢復-可通過 web 瀏覽器、Tel net/Serial con sole Win dows Utility 和 ABC-01 配本次設計采用其中4個千兆網絡光口，16個百兆網絡電口的核心交換機，網絡千兆光口與千兆環網聯接，建

17、立主/備冗余。網絡百兆電口與服務器之間連接,從主干環網到服務器實現三層冗余， 避免數據在網絡傳輸的瓶頸，同時在調度臺放置的操控站與核心交換機網絡千兆電口連接,高可靠性。實現操控站主干交換機 EDS-618AMOXA EtherDevice Switch EDS-618A網管型工業以太網交換機。千兆以太網冗余協議Turbo Ring（自愈時間20ms）,可以提升您的千兆網絡骨干的可靠性。EDS-618A 以太網交換機支持多種智能化的網絡管理功能，包括 QoS， IGMPSnooping/GMRP， VLAN， Port Trunking， SNMP V1/V2c/V3 ， IEEE 802.1X

18、 和Https/SSL 等功能。它具有如下特點：- 2 個千兆端口 16個快速以太網端口-Turbo Ring. Turbo Chain, RSTP/STP用于以太網冗余 IEEE 1588 PTP,Modbus/TCP， LLDP， SNMP Inform， QoS， IGMP snooping， VLAN，IEEE 802.1X，HTTPS，SNMPv3和支持 SSH-ABC-01 （自動備份配置器）更易于置換故障設備-IPv6 Ready認證（IPv6標志委員會認證）-IEEE 1588PTP （精密時間協議），用于與網絡同步的準確時間- DHCP Opition 82，用于以不同策略分

19、配 IP 地址-支持工業以太網協議 Modbus/TCP-Turbo Ring及Turbo Cha in （全載時自愈時間 20毫秒）和RSTP/STP（IEEE 802.1w/D）-IGMP Snooping及GMRP，用來過濾工業以太網協議中的多播流量-基于端口 VLAN，IEEE 802.1Q VLAN和GVRP，輕松實現網絡規劃-支持 QoS-IEEE 802.1p/1Q 和 TOS/DiffServ，增加網絡確定性-支持端口聚合，優化網絡帶寬-支持SNMPv3, IEEE 802.1X，HTTPS和SSH增加網絡安全性-支持SNMPv1/v2/v3不同等級的網絡管理協議煤礦防爆兼本安

20、環網交換機基本要求具有防爆或本安認證單臺交換機具有本安RS485或RS232接口，方便井下總線子系統接入 具有10個以上的出線嘴（2）、KJJ58型礦用本安型以太環網交換機參數：網絡系統中采用的千兆 MOXA工業交換機節點設備均為專 為工業環境設計的工業交換設備，能夠適應高溫、高濕、塵埃和 震動的環境，滿足在煤礦環境的防爆及安全要求。符合GB5005492爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范和GB3836- 83爆炸性環境用防爆電器設備通用要求?？紤]到現場的惡劣條件，為減少因電源故障而產生的網絡中斷等事故發生幾 率。提高網絡的可用性，井下環網交換機內部均配備了專用的不間斷電源。交換機工作電壓：1

21、27V/220V/380V/660V以太網光信號接口a、接口數量：4個。b、傳輸方式：全雙工TCP/IP傳輸協議，波長為1310nm的單模光纖c、傳輸速率：10/100/1000M自適應。d、光發射功率：-10dBm-5dBm。e 光接收靈敏度：w -20dBm。使用 MGTSV- （2、4、6、8、10、12） A 型光纜。以太網電信號接口性能（本安接口）a、接口數量：6個b、傳輸方式：全雙工 TCP/IP 傳輸協議。c、傳輸速率： 10/100 Mbps 自適應。d、信號工作電壓峰峰值： 1V5V 。e、到分站設備之間最大傳輸距離： 5m（MHYVR 電纜，電纜分布參數：分布電容：w 0.

22、06尸/Km。分布電感：w 0.8mH/ Km。直流電阻：w 12.8Q/Km ）。RS485信號接口（本安接口）a、接口數量： 4 個b、傳輸方式：半雙工RS485信號，雙極性。c、傳輸速率： 2400bps。d、信號工作電壓峰峰值：w 10V。e 信號工作電流峰值：w 95mA。f、到分站設備之間最大傳輸距離： 20km;服務器、工作站等設備的連接在中央調度室或機房的各個服務器、 工作站等設備可通過快速以太網卡直接 與中央監調度室室的核心交換機的端口相連， 提供 10/100M/1000M 的端口速率?，F場的各個 PLC 或其他設備則直接通過雙絞線與現場就近的交換機的相應 端口相連，提供

23、10/100M 的端口速率。1.4 交換機布置技術指導文件介紹1.4.1 網絡配置1 、環網部分：根據掌石溝煤業礦井地域實際情況， 按區域、 節點數量、 規模可劃分為一個 環。自動化控制環網按照網絡節點與網絡應用不同，分為中央網絡與接入工業以 太網環網兩部分。中央網絡核心設備與同機房的環網接入設備互連， 保證不同環網之間的數據 的傳輸。主環網都采用當今技術領先的千兆工業以太網技術。中央網絡設置于中心機房，用于提供接入環網的上聯，以及大量服務器的接 入。同時，中央網絡通過安全措施與信息管理網互聯。中央網絡設置兩臺PT7728作為整個網絡的匯聚核心交換機，通過光纜與主干交換機之間進行傳輸。井下部分

24、各交換機及設計布置點如下:序號設計布置點交換機數量備注1調度機房核心交換機2機房2中央變電所節點交換機1井下3煤倉節點交換機1井下4米區變電所節點交換機1井下2、環網交換機由于工業環境（如煤礦等行業）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工業環境的要求，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。因而本技術指導文件采用 可靠的工業級的以太網交換機。所有交換機都采用光纖端口組環，一個連接上級交換機，一個用于連接下級 交換機，構成一個完整的光纖環路。當其中某一段工作中的光纖線路被破壞或相 應的網絡設備發生故障時，整個網絡會自愈，并在500ms內恢復正常的通訊，這樣就構成二級冗余。如果環網中某個交換設備