【導(dǎo)讀】上的煤炭產(chǎn)量來自于井工開采礦井，井工開采礦井平均深度500米左右，數(shù)進(jìn)行各種各樣的監(jiān)測(cè)與控制是煤礦正常、安全生產(chǎn)的重要保障。國(guó)，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要有KJ4系統(tǒng)、KJ90系統(tǒng)、KJ95系統(tǒng)等，

　　

【正文】 技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，其骨干網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性是第一位的，同時(shí)要建設(shè)高帶寬、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)主干。在煤礦綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)骨干網(wǎng)的設(shè)計(jì)中將采用工業(yè)以太冗余環(huán)網(wǎng)技術(shù)組成。在此基礎(chǔ)上再通過二級(jí)、三級(jí)接入層交換機(jī)到達(dá)用戶桌面。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。 關(guān)鍵技術(shù)礦用工業(yè)以太網(wǎng)必須整合工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)（包括環(huán)型冗余技術(shù)、鏈路聚集技術(shù)等） 、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等最為先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能最大限度地保證煤礦數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)普通商用以太網(wǎng)不能保證網(wǎng)絡(luò)的冗余性、可靠性和實(shí)時(shí)性，為使以太網(wǎng)能夠成功應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域，許多研發(fā)機(jī)構(gòu)和廠商相繼推出了以Intra管理網(wǎng)絡(luò)（信息層）離散設(shè)備工業(yè)以太網(wǎng)過程設(shè)備三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖設(shè)備層控制層信息層太網(wǎng)的環(huán)冗余和鏈路聚合等技術(shù)。? 工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)冗余技術(shù)由于很多場(chǎng)合環(huán)境惡劣，存在網(wǎng)絡(luò)意外斷裂的可能較大，而另一方面，出于生產(chǎn)和安全的需要，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求又很高，所以需要信息傳輸網(wǎng)絡(luò)能夠提供鏈路冗余。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。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了一個(gè)簡(jiǎn)單環(huán)，從而保證了在某條鏈路意外損壞時(shí)數(shù)據(jù)仍然可以通過備用鏈路傳輸。在交換式以太網(wǎng)中，冗余的管理能夠?qū)崿F(xiàn)很高的網(wǎng)絡(luò)可用性，交換式高速以太網(wǎng)啟用環(huán)冗余的時(shí)間少于 300ms，也就是說，一條鏈路出錯(cuò)后，網(wǎng)絡(luò)可以在 300ms 時(shí)間以內(nèi)重新可用。? 鏈路聚合技術(shù)鏈路技術(shù)可以在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及原有布線的條件下，使用專用的軟件或軟硬件結(jié)合的產(chǎn)品，把多條交換機(jī)到服務(wù)器或交換機(jī)到交換機(jī)的數(shù)據(jù)通道捆綁起來，形成一條邏輯上的高帶寬數(shù)據(jù)鏈路，滿足高帶寬應(yīng)用的需要，同時(shí)還可以增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡能力以及容錯(cuò)性，極大地提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。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。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)嵌入式系統(tǒng)是能夠完成一種或多種特定功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是軟硬件的緊密結(jié)合體。具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的應(yīng)用環(huán)境。其最大的特點(diǎn)是其目的性或針對(duì)性很強(qiáng)，每一套嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)都有其特殊的應(yīng)用場(chǎng)合與特定功能，這也是嵌入式系統(tǒng)與通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最主要的區(qū)別。另外，嵌入式技術(shù)與實(shí)時(shí)性有著天然的聯(lián)系。由于嵌入式系統(tǒng)是為特定的目的而設(shè)計(jì)，且常常受到空間、成本、存儲(chǔ)、帶寬等的限制，因此它必須最大限度地在硬件和軟件上“量身定做”以提高效率，這樣的結(jié)果最終導(dǎo)致了實(shí)時(shí)性的增強(qiáng)。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。從根本上說，在網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備中，只要用到了 CPU，那么在其上一定要運(yùn)行一個(gè)完成特定功能的操作系統(tǒng)，也就是嵌入式系統(tǒng)，所以嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備是不可分割的。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。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要任務(wù)是對(duì)事件的進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理，雖然事件可能在無法預(yù)知的時(shí)刻到達(dá)，但是軟件上必須在時(shí)間發(fā)生時(shí)能夠在嚴(yán)格的時(shí)限之內(nèi)作出相應(yīng)，即使在尖峰負(fù)荷下也應(yīng)如此。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(duì)運(yùn)行情況的最好和最壞等情況作出精確的估計(jì)。RTOS 是計(jì)算機(jī)專家們多年潛心研究的結(jié)果，使用 RTOS 不僅增加了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性，而且應(yīng)用程序的調(diào)試也會(huì)方便許多。煤礦安全生產(chǎn)中一個(gè)關(guān)鍵的因素就是保證監(jiān)測(cè)信息和控制信息的實(shí)時(shí)傳遞，因而我們?cè)诘V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(hào)時(shí)，也能保證控制信號(hào)等重要信息的實(shí)時(shí)性。結(jié)合嵌入式 Web Server 技術(shù)，可以通過瀏覽器界面方便地對(duì)交換機(jī)進(jìn)行管理和控制。 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。地面、井下各設(shè)一個(gè)環(huán)網(wǎng)，兩個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)在控制中心機(jī)房通過高性能的工業(yè)級(jí)核心交換機(jī)連接起來，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的礦井監(jiān)控信息子網(wǎng)，該子網(wǎng)運(yùn)行在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)段中，通過硬件防火墻與以后建立的礦企業(yè)網(wǎng)（也即是信息網(wǎng)絡(luò)）隔離。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。礦井自動(dòng)化控制系統(tǒng)主控設(shè)備設(shè)于聯(lián)合樓控制中心。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。主干網(wǎng)絡(luò)傳輸速率 1000Mbps，各子系統(tǒng)與主干網(wǎng)的連接為 10/100Mbps 自適應(yīng)。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(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線等系統(tǒng)方便地接入主干網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示：使用環(huán)型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以提供鏈路冗余，當(dāng)某條正在工作的鏈路意外損壞時(shí)，可以在 300ms 內(nèi)快速切換到冗余鏈路，組網(wǎng)也較為簡(jiǎn)單，價(jià)格適中。安全生產(chǎn)、監(jiān)測(cè)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)。 核心設(shè)備技術(shù)選型工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，需滿足具有隔（防）爆、電源輸入范圍廣、允許電源波動(dòng)范圍大（不少于 20％） 、過壓過流保護(hù)、易安裝、易檢修、故障報(bào)警及定位、線路故障后快速切換到冗余鏈路（小于 300ms） 、設(shè)置簡(jiǎn)單、便于維護(hù)等性能要求，能夠完全適應(yīng)井下高溫、潮濕、高粉塵的惡劣環(huán)境。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(guó)赫斯曼、德國(guó)西門子、中國(guó)東土電信和臺(tái)灣摩莎公司等。 主要網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)1) 主干網(wǎng)速率： 1000M2) 傳輸介質(zhì)：?jiǎn)文９饫w（傳輸距離 45km） ；3) 產(chǎn)品防護(hù)等級(jí)： IP644) 防爆等級(jí)：隔爆型 或 隔爆兼本安型； 5) 供電電壓等級(jí)：交流：127V、660V（＋10%～－25% ）6) 使用條件：溫度：10℃～＋45℃7) 濕度：不大于 95%(＋25℃ )8) 周圍介質(zhì)：允許使用環(huán)境中有爆炸危險(xiǎn)介質(zhì)。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(duì)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。 系統(tǒng)特點(diǎn)1）開放性：系統(tǒng)是完全開放的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，并且符合國(guó)際公認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) IEC61158 等，同時(shí)具備成熟的第三方連接能力。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。 3）工作模式：系統(tǒng)支持 B/S 模式的數(shù)據(jù)通訊結(jié)構(gòu)。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。4）網(wǎng)絡(luò)速率：網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速率不小于 10Mbps。5）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)：?jiǎn)我痪W(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。6）網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)：支持雙絞線和光纖連接，根據(jù)實(shí)際需要提供靈活的電纜形式。7）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和范圍：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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。8）組態(tài)：擁有現(xiàn)成靈活的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)診斷功能，任何節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，而不需要更改從前的站號(hào)和配置，并應(yīng)充分考慮今后擴(kuò)展的方便性。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。在物理上和邏輯上都要考慮到網(wǎng)絡(luò)信道的冗余，確保網(wǎng)絡(luò)通路的安全。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)。所有單環(huán)單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)都具有兩個(gè)全雙工千兆光纖端口，用于環(huán)節(jié)點(diǎn)的連接，構(gòu)成一條完整的光纖環(huán)路。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。 11）系統(tǒng)滿足 和 等相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。