KXT23矿用IP网络广播系统方案.doc

KXT23 矿用 IP 网络广播系统 技技 术术 方方 案案 天天地地（常常州州）自自动动化化股股份份有有限限公公司司 ( (煤煤炭炭科科学学研研究究总总院院常常州州自自动动化化研研究究院院) ) 2 20 01 10 0 年年 5 5 月月 KXT23 矿用 IP 网络广播系统技术方案 - 1 - 目目 录录 1 概述概述 .3 1.1 项目情况3 1.2 KXT23 矿用 IP 网络广播系统概述3 2 技术优势及系统特点技术优势及系统特点 .6 2.1 技术优势6 2.2 系统特点6 3 设计原则设计原则 .7 3.1 先进性、成熟性7 3.2 可靠性、安全性7 3.3 易操作性7 3.4 实时性7 3.5 完整性7 3.6 可查询性7 3.7 互联性和扩展性7 3.8 经济性8 4 设计标准设计标准 .8 5 系统组成系统组成 .8 5.1 IP 网络广播控制主机（音频服务器） 9 5.2 KXT23.1 矿用本安型 IP 网络广播终端.10 5.3 KXT23.1 矿用本安型 IP 网络广播接口.10 5.4 本安电源 KDW16A.10 5.5 矿用本安型光网络终端 KJJ61A 10 6 光纤环网平台光纤环网平台 .10 6.1 CJJ02 型环网交换机12 6.2 KJJ31 型（防爆）环网交换机13 7 主要功能主要功能 .14 7.1 曲目下载功能14 7.2 曲目编排功能14 7.3 自动播放功能14 7.4 对讲功能14 7.5 紧急广播功能14 7.6 监听功能14 7.7 录音功能14 8 主要技术指标主要技术指标 .15 KXT23 矿用 IP 网络广播系统技术方案 - 2 - 8.1 系统容量：15 8.2 最大传输距离：15 8.3 系统参数：15 9 系统设备配置系统设备配置 .15 KXT23 矿用 IP 网络广播系统技术方案 - 3 - KXT23KXT23 矿用矿用 IPIP 网络广播系统方案网络广播系统方案 1 概述概述 1.1 项目情况项目情况 1.2 KXT23 矿用矿用 IP 网络广播系统概述网络广播系统概述 近几年来，随着网络技术的迅速发展，工业以太网+现场总线的自动控制网络结 构正受到广泛的应用，我公司也相继开发出了基于 100M/1000M 的全矿井工业以太 网系统，其他生产厂家也相继开发出了大量支持网络接口的矿用产品。井下工业以 太网的应用日益普及。 由于煤矿井下面积比较大，区域分布比较广；根据井下实际情况及功能要求， 采用网络广播系统，将音频信号以标准 IP 包形式在井下局域网上进行传送. 解 决传统广播系统存在的长距离音频功率传送布线困难、损耗大、音质不佳、维护管 理复杂、互动性能差等问题。另外，该系统的对讲功能可以在紧急情况下，及早将 危险区域的状况向调度汇报，为及时掌握前方状况增加了一个有效途径。 由此可见，网络广播对讲系统有着广泛的应用前景，潜在的市场巨大。 .目前国内煤矿井下基本上都采用传统的模拟音频广播方式（定压广播） 其工作原理是将模拟音频信号直接放大、通过升压变压器将其 4-16 匹配阻抗 变换到 100V 定压方式进行传输，到终端后降压转换到 4-16 的匹配阻抗上推动喇 叭。为降低线路传输损耗，一般传输距离是几十米到几百米。由于技术成熟、结构 简单、性能稳定、维护安设简单、终端便宜，适合于小范围、对音质效果和应用可 靠性要求不高的场所。 但是其缺点比较明显，远远不能满足现在高速交流的信息时代对广播系统的 要求。除了技术落后外，还存在如下缺点，因此传统的广播技术逐渐被淘汰： 传输距离短、扩展性差。由于传统广播技术的音频信号为模拟信号，音源为 模拟音频，而模拟信号对传输距离有一定的限制，超过一定的距离后，需要增加中 继器对信号逐级放大。 KXT23 矿用 IP 网络广播系统技术方案 - 4 - 抗干扰性能差、音质差。模拟音频受电子元器件自身特性的影响（每个元器 件都有热噪声） ，每处理一次都会失真一次（波形发生畸变） ，产生一次噪声积累， 处理的次数越多，噪声积累越大，信噪比（S/N）越低。同时模拟音频信号易受环境 干扰，特别是电磁的干扰。途径线路周边的大功率电器设备都会对语音信号造成干 扰，直接影响通话效果。模拟音频信号传输受线间变压器带宽、喇叭尺寸、电缆线 径等因素影响，频响范围在 200Hz12KHz，失真度10，无法实现立体声传输。 而经过几级放大后的远距离广播，语音音质会明显下降。 节目容量小，不能寻址控制。无法满足同时广播和分区广播，无法实现点对 点寻址广播。例如地面人员想对某个区域或某几个区域寻呼、讲话，定压广播无法 做到，只能所有扩音设备同时广播，无法实现对单点或随意分组进行广播。 故障率高。即便某一点出现线路短路故障，将会造成整个广播系统的瘫痪， 这是传统广播技术的致命缺点。 .利用以太网技术进行数字广播方式，如目前较为流行的视频会议、远程教育、 电话会议以及 IP 电话等，其采用的都是数字广播技术。它是利用网络技术、以网络 为传输平台来实现的数字音频传递，是目前乃至今后三网合一或多网合一的一个重 要组成部分。可以利用已经形成的网络作为传输平台，任意扩展。因此数字广播技 术已经成为事实上的先进广播的行业标准。 数字广播顾名思义就是将广播信号数字化（A/D 转换） ，它是按照一定算法，将 模拟音频信号经过采集、量化、编码、压缩后的数字音频文件（如 MP3）或存储在 存储器上的数字音频文件，通过网络，按照传输协议以数据包的形式将音频文件传 输到网络广播接收端，然后经过网络广播终端进行 D/A 转换后还原成音频信号，经 放大后驱动喇叭工作的。每个网络广播终端都是一台具有音频编解码和网络通信功 能的嵌入式计算机，并且都有自己的独立 IP 地址，像局域网内 PC 组网一样，按照 TCP/IP 协议进行通信。 数字广播采用高质量音频压缩格式，而且采用纯数字的传输方式，在制作、 处理、传输过程中不会产生噪音累积，引起信噪比下降而导致信号劣化；而且错误 率相当低甚至是可以避免的，因此可以多次复制和传输，不论怎么编辑、处理都不 会产生额外的噪声： KXT23 矿用 IP 网络广播系统技术方案 - 5 - 信号无损、音质好：数字广播从音源的制作到传输全部实现了数字化、网络 化，系统信噪比高，不会在处理、传输等环节产生噪声，从而可以获得比较好的音 质，也可以进行立体声传输。可完全利用部分矿山企业已建成的井下工业以太网进 行语音信号的传递。只要网络下行带宽得到 128K，就可以十分流畅的传输一路立体 声音频信号。 扩充性强：系统理论最大终端无限制，远距离传输没有限制。在将来的扩容 中，无需购买主机设备，只要有网络接口，就可以安装网络广播终端，更无须对线 路进行改造，也不需要专门布线，不管是光纤、超五类线、数字微波还是无线网桥， 只要网络连通就可以传输数字音频广播。 可以实现智能广播。以太网本身就是一套双向网络，在以太网上通过软件可 轻而易举地实现智能广播的定时、寻址、分组等功能。在网络速度允许的情况下， 可实现多路广播。因为音频文件是以数据包的方式在网络中传输，所以很容易实现 多路广播，把不同的数据包发送给不同的终端就可以了。 广播方式多种多样：由于网络广播终端为网络设备，具备灵活的 IP 地址设 置，因此地面主机可以通过编程来控制设备的 IP，以达到控制扩音喇叭广播的效果： 定点广播：可对任意终端进行定点广播 独立广播：可独立地对某一终端进行广播而不干扰其它终端。 每区可独立广播：可同时对几个区域进行广播。 全体广播：可对所有终端进行广播 紧急广播：拿起麦克风即可广播。 宣传广播：可播放背景音乐、领导讲话、语音宣传等。 紧急呼叫：用户可按键直接呼叫操作台，进行通话对讲。 录音： 而且，该系统还可以通过接口与现有的皮带扩音系统、IP 调度电话系统、WIFI 无线通话系统互联。 KXT23 系统中用于机房、调度室的设备，能在下列条件下正常工作： KXT23 矿用 IP 网络广播系统技术方案 - 6 - a）环境温度：-3040； b）相对湿度：最大相对湿度 95%（+25%） ； c）海拔高度：不超过 2000m； 除有关标准另有规定外，系统中用于煤矿井下的设备能在下列条件下正常工作： a）环境温度：-1040； b）平均相对湿度：不大于 95%（+25） ； c）有爆炸性气体混合物，但无显著振动和冲击、无破坏绝缘的腐蚀性气体。 2 技术优势及系统特点技术优势及系统特点 2.1 技术优势技术优势 a) 天地（常州）自动化股份有限公司（煤炭科学研究总院常州自动化研究院） 是专业从事煤矿自动化和通信技术、产品的开发单位，是煤炭工业煤矿安全仪器仪 表装备的定点生产单位。 b) KXT23 系列矿用 IP 网络广播系统是我公司自主研发，且系统主要设备均为 本安设备，适合井下任何环境下使用。 2.2 系统特点系统特点 a)a) 功能先进功能先进 可对每个网络终端独立设置和控制，可单独、分区、组合广播，可任意组成区 域广播，播出不同的广播内容，网络终端设备可储存预制广播内容，定时自动播出， 有自动分区、群发、直播、采播等功能。 b)b) 扩展性好扩展性好 可随时在网络上增加音频广播设备，不受线路和带宽限制。 c)c) 音质好音质好 音频广播设备具有消除自激和静噪设计，特别适用于煤矿井下的口语广播和背 景音乐播放。 d)d)抗干扰性强抗干扰性强 传输容量大，信号衰减和失真很小，音质好，音域宽，可充分利用煤矿以太网 平台，不需铺设下井专用广播传输线，节省了传输线缆和安装维护费用。 e)e)兼容性强兼容性强 KXT23 矿用 IP 网络广播系统技术方案 - 7 - 可接入各种1000M/100M/10M 工业以太网，兼容性强，网络传输距离长达几十公 里，可远程升级系统软件。 f)f)使用范围广使用范围广 井下设备为矿用本安型设备，而非隔爆兼本安型设备，可用于煤矿爆炸性气体 环境，特别是工作面、顺槽等危险区域。 3 设计原则设计原则 KXT23 矿用 IP 网络广播系统方案设计遵循以下原则： 3.1 先进性、成熟性先进性、成熟性 使用先进、成熟、实用和具有良好发展前景的技术，使得整个系统既能满足当 前的需求，又能适应未来的发展。 3.2 可靠性可靠性、安全性、安全性 系统在硬件选型、线路、支撑环境及结构上都选用了高质量的材料，并采用了 先进的防火墙技术，以确保安装的扩音终端、接口与布线系统，能适应煤矿井下高 温、高湿、瓦斯等严格的工作环境，实现了系统稳定。 3.3 易操作性易操作性 以易于使用的图形人机界面功能，为信息共享与交流、信息资源查询与检索等 提供了有效的工具。 3.4 实时性实时性 终端和接口接收的信息和音频服务器显示快速反映，充分满足实时性的需求。 3.5 完整性完整性 提供与各种外界系统通信的功能，确保信息的完整性并充分利用在整体系统的 运作上。 3.6 可查询性可查询性 让使用者能随时查询信息。 3.7 互联性和扩展性互联性和扩展性 充分考虑将来需求的空间，所提供的系统平台与技术充分配合未来功能及扩充 项目的需求，以避免将来重复的投资。标准化、结构化、模块化的设计思想贯彻始 KXT23 矿用 IP 网络广播系统技术方案 - 8 - 终，奠定了系统开放性、可扩展性、可维护性、可靠性和经济性的基础。 3.8 经济性经济性 在一定的资金资源下，尽可能有效地利用资金，以适当的投入，建立一个尽可 能高水平的、完善的监测系统。所有设备的选型配置和采购订货，坚持性能价格比 最优的原则，同时兼顾供货商的资信度和维修服务能力。 4 设计标准设计标准 GB3836.12000 爆炸性气体环境用电气设备 第 1 部分：通用要求 GB3836.22000 爆炸性气体环境用电气设备 第 2 部分：隔爆型“d” GB3836.32000 爆炸性气体环境用电气设备 第 3 部分：增安型“e” GB3836.42000 爆炸性气体环境用电气设备 第 4 部分：本质安全型“i” GB/T98132000 微型计算机通用规范 GB/T2887-2000 电子计算机场地通用规范 AQ6201-2006 煤矿安全监控系统通用技术要求 MT20990 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求 MT21090 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品基本试验方法 MT/T286-1992 煤矿通信、自动化产品型号编制方法和管理办法 MT/T7721998 煤矿监控系统主要性能测试方法 MT/T8991999 煤矿用信息传输装置通用技术条件 MT/T 1004 煤矿安全生产监控系统通用技术要求 MT/T 1008-2006 煤矿安全生产监控系统软件通用技术要求 5 系统组成系统组成 KXT23 矿用 IP 网络广播系统由网络广播控制主机（音频服务器） 、KXT23.1 矿用 IP 网络广播终端、KXT23.2 矿用 IP 网络广播接口、KXT22.1 矿用通信和信号装置主 机、KXT22.2 矿用通信和信号装置分机及电源、电缆、光缆等组成。 系统主传输通道采用以太网和光缆传输。如图： KXT23 矿用 IP 网络广播系统技术方案 - 9 - 5.1 IP 网络广播控制主机（音频服务器）网络广播控制主机（音频服务器） IP网络广播控制主机(音频服务器)是KXT23矿用IP网络广播系统的控制中心，完 成终端管理、音频管理等管理功能，为各网络终端、接口等提供数据交接服务，为 各网络终端提供定时播放和实时广播控制服务。根据音频服务器的调度，对即将传 输到各广播终端的音频流数据进行非压缩数字音频数据处理，保证音频服务器以CD 质量的高比特率与终端进行数据同步，实时处理节目信号。 IP 网络广播控制主机(音频服务器)实现功能： 全数字化的公共广播主控机，基于 TCP/IP 协议的网络上运行； 4 路模拟音频信号输入,4 路模拟音频信号输出及 TCP/IP 网络数字信号 输出，兼容任意传统模拟广播设备转换； 近乎完美的 CD 音频效果； 终端、接口及传统的广播设备相结合所组成网络广播系统，可实现网络 化背景音乐播放、定时、分区、寻呼、对讲（包括点对点或点对多，可 订做成多方通话）等强大功能； 完善的实时监听功能，可监听终端的现场环境； 内置强大的节目定时编辑功能，可控制多路外部音源； KXT23 矿用 IP 网络广播系统技术方案 - 10 - 分区数量达 240 个，可扩展。 5.2 KXT23.1 矿用本安型矿用本安型 IP 网络广播终端网络广播终端 防爆型式：矿用本质安全型，标记为“ExibI” 。 主要技术指标： 额定工作电压：直流 18V (由 KDW16A-18 供电) 工作电流：不大于 800mA 响度95dB/m(A 计权) (1kHz)； 失真度10(1kHz)； 接口：三个以太网接口和两个光纤接口； 5.3 KXT23.2 矿用本安型矿用本安型 IP 网络广播接口网络广播接口 防爆型式：矿用本质安全型，标记为“ExibI” 。 主要技术指标： 额定工作电压：直流 18V (由 KDW16A-18 供电) 工作电流：不大于 500mA 接口：三个以太网接口和两个光纤接口； 5.4 本安电源本安电源 KDW16A 为井下终端和接口供电，其后备电池可保证在交流电停电 情况下，数据监测站可连续工作 2 小时以上。 技术参数： 输入：AC127V、220V、380V 或 660V。 输出：DC18V8%。 备用电源功能： 转换时间：0S 1 电池容量：12V 4.0Ah，2 节 2 6 光纤环网平台光纤环网平台 如果现场已有光纤环网平台，系统通过 KJJ61A 直接接入环网。 如果现场没有环网，则需要组建环网。 光纤环网冗余结构通过建立一个环状的光纤以太网结构来实现网络冗余，减少 网络单点故障，增强整个通信网络在突发情况下的生存能力。光环以太网结构如下 KXT23 矿用 IP 网络广播系统技术方案 - 11 - 图： 如图所示：节点交换机拥有 2 个百兆光口，6 个百兆电口。2 个百兆光口一个连 接上级交换机，一个用于连接下级交换机，构成一个完整的光纤环路。网络中某一 段工作中的光纤线路被破坏或相应的网络设备发生故障时，整个网络会自愈，并在 20ms 内恢复正常的通讯。控制网络中节点交换机的选型 由于工业环境（如煤矿等行业）的特殊性，普通交换机在抗干扰性能、电磁兼 容性、可靠性、可用性、MTBF 等方面不能完全适应工业环境的要求，且不能形成高 速冗余环的连接方式，使用寿命也会大大降低。因而必须采用工业级的以太网交换 机，本方案采用台湾 MOXA 的工业以太网交换机系列。 MOXA 公司的工业以太网交换机 EDS-728、EDS-518A 和 EDS-408A 系统产品均为 工业级以太网设备。它们采用牢靠的重负荷设计，其性能指标远远超过一般的 OA 网 络产品，电磁兼容性、工作温度、防震等指标完全符合工业现场的高等级要求。 MOXA 网络产品还支持多种网络拓扑结构和多重冗余方式，如（单）环网冗余、 单环双节点冗余、双总线冗余、双环网冗余和环间冗余。所有冗余结构在切换时， 已传递的数据延迟小于 20ms，不会造成数据丢失的问题。 交换机配置交换机配置 每个独立环网中的网络节点配置 1 台 MOXA 公司的 EDS-408A 交换机，所有的 EDS-408A 交换机通过其自身的两个百兆光纤接口进行环形互连，最终使得地面、井 下形成一个环形冗余网络。 MOXA 公司的 EDS-408A 交换机，该交换机的 2 个百兆光纤接口用于实现交换机 之间的环网冗余连接。 由于采用了基于以太网 TCP/IP 的工业以太网技术，因此所有的各类服务器、工 KXT23 矿用 IP 网络广播系统技术方案 - 12 - 作站，PLC 等计算机设备均可直接连接入综合自动化控制网。 在中央监控室的各个服务器、工作站等设备可直接通过快速以太网卡直接与中 央监控室的核心交换机上的快速以太网端口（RJ-45）相连，提供 10/100M 的端口速 率。 现场的各个 PLC 或其他设备则直接通过双绞线与现场就近的 EDS-408A 交换机的 快速以太网端口（RJ-45）相连，并也提供 10/100M 的端口速率。 6.1 CJJ02 型环网交换机型环网交换机 地面环网交换机设置地点：调度中心机房、变电所等场所。 技术参数 供电电源 a) 电压：交流 220V； b) 频率：50Hz； c) 允许电压波动范围：85%115%。 接口数量 2 个冗余光纤以太网口：与其它环网接入器连接，组成冗余以太环网。 6 个传输通讯口：其中 3 个通讯口为以太网电接口，另 3 个通讯口可根据实际 要求配置为以太网电接口或 6 个 RS485 口（1 个以太网口可配置为 2 个 RS485 口） 。 信道 环网通讯介质采用光缆，波长 1310nm。 单模：发射功率-15dBm，接收灵敏度:-32dBm, 最大传输距离 15km。 多模：发射功率-20dBm，接收灵敏度:-30dBm, 最大传输距离 2 km。 以太网电接口通讯介质采用双绞线，速率 10/100Mbps 自适应，最大传输距离 100m，符合 IEEE802.3 和 IEEE802.3u 以太网标准。 RS485 通讯介质采用矿用阻燃屏蔽信号电缆。速率 1200bps 时,最大传输距离 6km。 主要功能 a) 支持环网冗余，恢复时间300ms。 b) 提供网络设备状态信息： 网络通讯建立时，主动发送电子邮件通知； KXT23 矿用 IP 网络广播系统技术方案 - 13 - 发现异常时，主动发送电子邮件报警。 c) 具有工业以太网管理功能 可以设置镜像端口，方便对数据进行实时监控； 发送 PING 命令，验证网络的完整性； 隔离特定网络端口，防止未经授权的入侵。 d) 具备串口设备（RS485/232）联网功能。 6.2 KJJ31 型（防爆）环网交换机型（防爆）环网交换机 井下环网交换机设置地点：中央变电所、各采区变电所等厂所场所。 技术参数： 供电电源 a) 电压：交流 127V 或 220V 或 380V 或 660V； b) 频率：50Hz； c) 允许电压波动范围：75%115%。 接口数量 2 个冗余光纤以太网口：与其它环网接入器连接，组成冗余以太环网。 6 个传输通讯口：其中 2 个通讯口为本安以太网电接口，4 个通讯口可根据实际 要求配置为本安以太网电接口或本安 RS485 口（RS232 口） 。 信道 环网通讯介质采用光缆，波长 1310nm。 单模：发射功率-15dBm，接收灵敏度:-32dBm,通信光缆衰减小于 0.4dB/km, 最大传输距离 15km。 多模：发射功率-20dBm，接收灵敏度:-30dBm, 通信光缆衰减小于 1dB/km, 最 大传输距离 2 km。 以太网电接口通讯介质采用双绞线，速率 10/100Mbps 自适应，最大传输距离 100m，符合 IEEE802.3 和 IEEE802.3u 以太网标准。 RS485 通讯介质采用矿用阻燃屏蔽信号电缆。速率 1200bps 时,最大传输距离 6km。 主要功能 a) 支持环网冗余，恢复时间300ms。 KXT23