【正文】 在網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和工業(yè)控制領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用，目前主要應(yīng)用在路由器和交換機(jī)上。另外，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是具有系統(tǒng)的可確定性，即系統(tǒng)能對運(yùn)行情況的最好和最壞等情況作出精確的估計(jì)。 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合信息自動(dòng)化控制平臺(tái)的主干網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，主干網(wǎng)傳輸介質(zhì)為光纖，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。配置服務(wù)器、工作站、操作員站，控制網(wǎng)通過 Web 服務(wù)器、防火墻、路由器( 可選) 與信息網(wǎng)連接。安全生產(chǎn)、監(jiān)測監(jiān)控等綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通過智能接入分站/網(wǎng)關(guān)/ 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接入井上下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。9) 支持基于 Web 的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（可選） ，可以通過瀏覽器對交換機(jī)進(jìn)行管理和控制；10)每臺(tái)交換機(jī)支持 8 個(gè)以太網(wǎng)接口，可以選擇為電接口、光接口或兩者的任意組合；11)支持全雙工/半雙工運(yùn)轉(zhuǎn)；12)工業(yè)以太網(wǎng)每段網(wǎng)站可連接 100 個(gè)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可達(dá) 1024 個(gè)；13)支持單冗余鏈路，最大網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)自愈時(shí)間小于 300ms。數(shù)據(jù)塊傳送和報(bào)文發(fā)送都可通過組態(tài)完成，不需額外編程；同時(shí)也支持 B/S、C/S 結(jié)合控制方式。7）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和范圍：根據(jù)現(xiàn)場情況，支持星型、總線型和環(huán)形等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大傳輸距離不小于 15 公里，通過中繼的最大傳輸距離不小于 30 公里。10）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)劃分：科學(xué)按區(qū)域、節(jié)點(diǎn)數(shù)量劃分綜合自動(dòng)化控制網(wǎng)。當(dāng)其中某一段工作中的光纖線路被破壞或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)自愈，并在 300ms 內(nèi)恢復(fù)正常的通訊。9）冗余：系統(tǒng)通過光纖環(huán)網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接，即骨干網(wǎng)上任何一點(diǎn)的光纖連接意外斷開，系統(tǒng)都能通過提供后備以太網(wǎng)鏈路，保證系統(tǒng)可用性的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。5）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)：單一網(wǎng)絡(luò)提供不小于 99 個(gè)站點(diǎn)的連接能力，并能根據(jù)應(yīng)用需要，支持靈活的網(wǎng)絡(luò)分段以及相應(yīng)的隔離或者橋接方案。2）信息傳輸服務(wù)：控制層提供方便的接入端口，無論從任何一點(diǎn)接入，都能方便地支持程序的上傳、下載、系統(tǒng)診斷和數(shù)據(jù)采集功能，且不需要復(fù)雜的編程或特殊的軟硬件支持，同時(shí)不影響實(shí)時(shí)信息傳輸性能；當(dāng)系統(tǒng)某一子系統(tǒng)的通訊或元器件出現(xiàn)故障時(shí)，不能影響其他子系統(tǒng)的通訊和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。目前，提供千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的生產(chǎn)商有德國赫斯曼、德國西門子、中國東土電信和臺(tái)灣摩莎公司等。同時(shí)，提供智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，可使井下原有的各種底層設(shè)備、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場總線等系統(tǒng)方便地接入主干網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)環(huán)網(wǎng)與企業(yè)信息網(wǎng)間采用雙網(wǎng)卡信息發(fā)布服務(wù)器+防火墻技術(shù)，或建議其它安全性更高的方式。煤礦安全生產(chǎn)中一個(gè)關(guān)鍵的因素就是保證監(jiān)測信息和控制信息的實(shí)時(shí)傳遞，因而我們在礦用工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)選擇具有高實(shí)時(shí)性保證的嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式處理器芯片，即使在網(wǎng)絡(luò)需要傳輸圖像、話音等大數(shù)據(jù)量的信號時(shí)，也能保證控制信號等重要信息的實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)，它嵌入在目標(biāo)代碼中，在系統(tǒng)復(fù)位后首先執(zhí)行，負(fù)責(zé)在硬件基礎(chǔ)之上，為應(yīng)用軟件建立一個(gè)功能更為強(qiáng)大的運(yùn)行環(huán)境，用戶的其它應(yīng)用程序都建立在 RTOS 之上。另外，嵌入式技術(shù)與實(shí)時(shí)性有著天然的聯(lián)系。當(dāng)聚合鏈路中一條或幾條（不是全部）意外損壞時(shí)，數(shù)據(jù)仍然可通過剩余的物理鏈路傳輸。環(huán)型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)在很大程度上解決了以太網(wǎng)的容錯(cuò)問題，提高了以太網(wǎng)的可靠性。為了安全和可靠在煤礦工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和企業(yè)管理層局域網(wǎng)之間設(shè)置防火墻，用來隔離管理網(wǎng)與生產(chǎn)控制網(wǎng)，保證生產(chǎn)控制網(wǎng)的安全。 煤礦礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)建設(shè)方案 系統(tǒng)構(gòu)架根據(jù)以上分析，煤礦綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以采用設(shè)備層 + 工業(yè)以太冗余環(huán)網(wǎng) + Intra 管理網(wǎng)絡(luò)的三層結(jié)構(gòu)模式。國家煤礦安全監(jiān)察局有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)在新近舉行的制定《煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)安全條件》研討會(huì)上提出，使用工業(yè)以太網(wǎng)作為井下的主干傳輸網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線作為連接傳感器等現(xiàn)場設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)當(dāng)是近期內(nèi)礦井傳輸網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)和建設(shè)方向。如今的控制網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)已經(jīng)成為企業(yè)層和控制層的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。大量的軟件資源和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費(fèi)用，從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格只有 Profibus，F(xiàn)F 等現(xiàn)場總線的十分之一，并且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格還會(huì)進(jìn)一步下降。這些編程語言由于廣泛使用，并受到軟件開發(fā)商的高度重視，具有很好的發(fā)展前景。Windows CE 也被認(rèn)為是設(shè)備合適的嵌入式操作系統(tǒng)。當(dāng)前有兩個(gè)組織致力于這方面的工作：The Industrial Ether Association(IEA， Industrial Automation Open Networing Alliance(IAONA，各大公司也紛紛開發(fā)技術(shù)（見表 31） 。全雙工交換式以太網(wǎng)是確定性的。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。其次交換技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)消除了以太網(wǎng)應(yīng)用于控制領(lǐng)域的障礙。 “工業(yè)控制中的每一塊領(lǐng)域，從嵌入式系統(tǒng)到現(xiàn)場總線，都意識(shí)到以太網(wǎng)和 TCP/IP 的重要意義” 。節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)聽信道，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)，再發(fā)送信息，如果信道忙碌則需要等待。所以以太網(wǎng)向控制系統(tǒng)的底層延伸是順理成章的。管理者不希望只能在一段時(shí)間后，才得到匯總信息。如基金會(huì)總線 FF 的 HI 和 PROFIBUSPA 的傳輸速率只有 。在現(xiàn)場總線協(xié)議中，為提高傳輸效率，一般只定義七層協(xié)議中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。IP 為每個(gè)數(shù)據(jù)包提供獨(dú)立尋址的能力，但不能保證每個(gè)數(shù)據(jù)包都能正確地到達(dá)目的地，網(wǎng)絡(luò)阻塞和傳輸錯(cuò)誤都可能使數(shù)據(jù)包丟失。結(jié)論現(xiàn)場總線是現(xiàn)今使用最廣泛的工業(yè)控制技術(shù)，但現(xiàn)場總線最大的問題是標(biāo)準(zhǔn)太多，煤礦需要的是建立統(tǒng)一、開放的網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)不同公司的監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備均能夠掛接在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上傳輸，顯然，如果使用現(xiàn)場總線，用作連接傳感器的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)還可以勝任，但作為井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鞲删W(wǎng)絡(luò)，則無論在傳輸速率上、傳輸距離和鏈路冗余等方面都不能滿足我們的需要，而且勢必使得井下傳輸網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)互不兼容的多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過渡到另一個(gè)互不兼容的多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這顯然不符合煤礦建設(shè)現(xiàn)代化礦井、實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的需要。 礦井的電磁干擾較強(qiáng)，溫濕度環(huán)境差，因總線距離長，加于收發(fā)器上的共模電壓較高，現(xiàn)場總線設(shè)備應(yīng)能滿足要求。 對安全監(jiān)控，考慮到瓦斯突出礦井的要求，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在 1S 以下，對生產(chǎn)監(jiān)控應(yīng)在數(shù)十毫秒數(shù)量級，響應(yīng)時(shí)間與通信速率有關(guān)，但不是反比關(guān)系，這是因協(xié)議復(fù)雜的總線通信效率低造成的。 井下網(wǎng)絡(luò)以兩級較為合適，即一級高速主干網(wǎng)下接一級低速（設(shè)備級）現(xiàn)場總線網(wǎng)，甲烷超限報(bào)警斷電等緊急操作應(yīng)能由設(shè)備級現(xiàn)場自主操作，主干網(wǎng)采用光纖或同軸電纜作媒體，應(yīng)能同時(shí)傳輸多媒體信息，考慮到礦井的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟钥偩€型為宜，加上分支器可構(gòu)成樹型。最終不得已在 1999 年 12 月通過了一個(gè)包含多種互不兼容的協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，即 IEC61158 國際標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場總線應(yīng)用以后，人們得到了更多的好處，例如控制功能徹底分散到現(xiàn)場，先進(jìn)的現(xiàn)場設(shè)備管理功能得以實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的可靠性大大提高等等。所謂工業(yè)以太網(wǎng)，是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即 標(biāo)準(zhǔn))兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要?？紤]用戶未來業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，結(jié)合業(yè)務(wù)拓寬的需求，預(yù)留了與其它應(yīng)用系統(tǒng)的接口，解決了網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)語音、調(diào)度、數(shù)據(jù)、視頻、監(jiān)測監(jiān)控等多業(yè)務(wù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)合一問題。? 先進(jìn)性：超前性和先進(jìn)性是每一個(gè)企業(yè)信息網(wǎng)建設(shè)期望達(dá)到的目標(biāo)，但是隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的、新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面臨著技術(shù)和產(chǎn)品上不十分成熟的問題，而原有的成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)品又勢必被新技術(shù)所取代。綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是礦區(qū)綜合自動(dòng)化的業(yè)務(wù)主要承載平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的規(guī)劃、建設(shè)決定了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量和發(fā)展，是綜合自動(dòng)化的重要組成部分。目前，工業(yè)以太網(wǎng)在地面上已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用。6） 易于與 Inter 連接，能實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成，傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，由于在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)不同層次應(yīng)用不同類型的網(wǎng)絡(luò)，它們之間需要安裝網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。4） 軟硬件資源豐富由于以太網(wǎng)已應(yīng)用多年，人們對以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用等方面有很多的經(jīng)驗(yàn)，對其技術(shù)也十分熟悉。而且由于應(yīng)用廣泛，硬件價(jià)格也相對低廉。幾乎所有的編程語言都支持 Ether 的應(yīng)用開發(fā)，如Java，Visual C++及 Visual Basic 等。簡言之，工業(yè)以太網(wǎng)是將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制和管理的局域網(wǎng)技術(shù)。（1） 遵循“高起點(diǎn)、高技術(shù)、高質(zhì)量、高效率、高效益”五高原則，力爭達(dá)到國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平，建成煤炭行業(yè)企業(yè)信息化示范工程；（2） 與時(shí)俱進(jìn)、