（计算机应用技术专业论文）基于工业以太网的矿井网络平台的研究.pdf

一 夕 j l i i ii i ii 111 1 11 1i i i1 1 1 y 17 8 4 5 2 5 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g r e s e a r c ho nn e t w o r kp l a t f o r mo fm i n e ba s e do ne n t h e r n e t c a n d i d a t e ：s u nh u i s u p e r v i s o r ：p r o f x i ez i - d i a n s p e c i a l i t y ：c o m p u t e ra p p l i e dt e c h n o l o g y h e i l o n g ji a n gi n s t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y h a r b i n ，p r c h i n a ，150 0 2 7 j u n e2 0 1 0 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：之丝主： 日 期：斟! ：! ：! z 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保 留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 黑龙江科技学院研究生学院办理。 研究生签名：垃导师签名：丝兰竺! 如期：尘：! ：，7 r 黑龙江科技学院硕士学位论文 摘要 矿井中各类监控系统各自独立布线、数据信息无法共享、接口标 准及传输协议互不统一的工作现状在客观上造成了矿井前期投入成本 尤其是布线成本过高、传输效率低下、维护难度较大和重复建设等问 题，严重阻碍了煤矿企业安全生产、高效生产、集约生产的工作目标。 这就需要研究更适合当前生产形式的矿井网络平台架构方案以统一各 类监控系统的接入和传输，实现各类监控数据信息统一网络传输，实 现“三网合一”。 本文在对现有矿井监控传输网络的信息源和网络架构研究的基础 上，综合考虑矿井下环境的特殊性，提出了一种基于工业以太网技术 的b s 架构网络平台架构方案，并对涉及到的核心设备和服务器端给 出具体的硬件设计方案和软件配置方案。 硬件设计主要围绕能够将传感器数据、语音数据和视频数据实现 “三网合一 传输的矿用光端机展开，分别设计了传感器数据处理模 块、音频数据处理模块、视频数据处理模块、系统数字复分接模块以 及隔爆本安电源。经m u x p l u s si i 软件仿真，实现了三类数据信息的 时分复用传输。 软件设计主要围绕上位机端的服务器配置方案展开。论述了数据 库设计方案，给出了o p cd a 服务器端和o p cd a 浏览器客户端核心 组件代码。 关键词：矿井网络平台、三网合一、数字光端机、复分接、数据库 黑龙江科技学院硕十学位论文 a bs t r a c t t h es t a t u so fd i v e r s i f o r mm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e m si nm i n es u c ha s m o n i t o r i n gs y s t e m sp a v e dc a b l er e s p e c t i v e l y , s h a r e da n yd a t ai n f o r m a t i o n ， i n t e r f a c es t a n d a r da n dt r a n s p o r tp r o t o c o l sm u t u a l l ye x c l u s i v e l yr e s u l t e d i nt h eh i g hc o s to fi n v e s t m e n te s p e c i a l l yf o rc a b l ep a v e dc o s t ，t h el o w t r a n s p o r te f f i c i e n c y , t h eh i g hd i f f i c u l t yo fm a i n t e n a n c ea n dt h er e p e a t e d i n v e s t m e n to fe q u i p m e n t ，e t c t h e s ep r o b l e m sb a f f l e dt h ea i mo fm i n i n g i n d u s t r yh e a v i l yf r o ms a f e t yp r o d u c t i o n ，h i g he f f i c i e n c yp r o d u c t i o na n d i n t e n s i v ep r o d u c t i o n ，a n dt h e r e f o r er a i s e dt h en e e do fr e s e a r c h i n gm o r e a p p l i c a b l ec o n f i g u r a t i o nf o rm i n en e t w o r kp l a t f o r mi no r d e rt ou n i f yt h e c o n n e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no fv a r i o u sm o n i t o r i n gs y s t e ma n dr e a l i z e d t r i p i e - p l a y t h et h e s i sp r o p o s e dab sm i n en e t w o r kp l a t f o r mf r a m e w o r kb a s e d 0 1 1e t h e r n e ta n dg a v eo u th a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g nf o rc o r e e q u i p m e n ta n ds e r v e rc o n f i g u r a t i o nr e s p e c t i v e l yw h i c h w a sw h o l l yb a s e d o nt h ec o n s i d e r a t i o no fi n f o r m a t i o ns o u r c e sa n de x i s t i n gm i n en e t w o r k c o n f i g u r a t i o nw i t hi t ss p e c i a le n v i r o n m e n t t h ew o r ko fh a r d w a r ed e s i g nw h i c hi n c l u d e ds e n s o rd a t ap r o c e s s i n g u n i t ，a u d i od a t ap r o c e s s i n gu n i t ，v i d e od a t ap r o c e s s i n gu n i t ，s y s t e md i g i t a l m u l t i p l e x - d e m u l t i p l e xu n i ta n di n t r i n s i cs a f e t yp o w e rs u p p l yu n i tm a i n l y e n c l o s e db yr e a l i z i n gt r i p l e - p l a yw h i c hu n i f i e ds e n s o rd a t a ，a u d i od a t a a n dv i d e od a t at oo n et r a n s m i s s i o nl i n e t h eh a r d w a r ed e s i g nw o r kw a s p a s s e dt h es i m u l a t i o no fm u x p l u s si ia n dr e a l i z e dt r i p l e p l a yb a s e do n t d m a t h ew o r ko fs o f t w a r ed e s i g nm a i n l yc e n t r a l i z e dt h ec o n f i g u r a t i o no f o p cs e r v e ra n dt h ed a t a b a s ed e s i g n t h ep a p e rg a v eo u tc o r eg r o u p w a r e c o d e sf o ro p cd as e r v e rt e r m i n a la n do p cd ab r o w s e rt e r m i n a l s i m u l t a n e o u s l y k e yw o r d ：n e t w o r kp l a t f o r mo fm i n e ；d i g i t a lo p t i c a lt r a n s c e i v e r ； t r i p l e p l a y ；m u l t i p l e xa n dd e m u l t i p l e x ；d a t a b a s e i i 黑龙江科技学院硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 课题国内外发展现状2 1 3 课题研究目的及意义4 1 4 主要研究内容及论文架构4 第2 章矿井网络平台的总体架构5 2 1 工业以太网结构5 2 2 传统矿井网络的架构7 2 3 基于工业以太网的矿井网络平台整体架构7 2 4 矿井网络平台的设备层架构9 第3 章矿井网络平台控制层硬件设计1 0 3 1 矿用数字光端机总体工作架构j 1 0 3 1 1 光发送机端工作原理1 0 3 1 - 2 光接收机端工作原理1 1 3 2 传感器数据处理模块1 2 3 3 音频数据处理模块框组1 4 3 3 1 光发送机端音频数据处理模块1 4 3 3 2 光接收机端音频数据处理模块1 6 3 4 视频数据处理模块1 7 3 4 1 光发送机端视频数据处理模块l7 3 4 2 光接收机端视频数据处理模块1 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 3 5 系统数字复分接模块2 2 3 6 电源设计2 3 第4 章矿用数字光端机系统数字复分接模块设计2 4 4 1 复分接技术和复接方式简介2 4 4 1 1 复分接技术2 4 4 1 2 复接方式2 5 4 2 正向数据发送模块与接收模块的工作原理及设计2 6 4 2 1 正向数据复分接过程2 6 4 2 2 正向数据的二次复接和一次分接的编译码过程2 7 4 2 3 正向数据的二次复接和一次分接的电路设计2 8 4 3 反向数据发送模块与接收模块的工作原理及设计2 9 4 3 1 反向数据复分接过程2 9 4 3 2 反向数据传输再( 恢复) 同步方式3 0 4 3 3 反向数据的二次复接和一次分接的电路设计3 l 第5 章矿井网络平台信息层软件设计3 3 5 1 矿井网络平台的异构数据集成3 3 5 2 矿井网络平台的数据交互3 3 5 2 1 数据库访问方式3 4 5 2 2 文件交换方式3 4 5 2 3 动态数据交换3 5 5 2 4w i n s o c k 技术3 6 5 2 5o p c 技术3 8 5 2 6 矿井网络平台的数据集成方案3 9 5 3 矿井网络平台的数据库设计4 0 5 3 1o p cd a 服务器端程序的实现4 0 5 3 2o p cd a 客户端程序的实现4 5 5 3 3 基于o p c 技术的矿井网络平台5 0 i v v 和不可替代性也日益凸现。十一五时期，我国政府在改造现有煤矿( 矿 井) 高效、安全生产方面采取了一系列重大举措，投入国债资金达9 0 亿元，支持国有重点煤矿实施安全技术改造。煤矿生产企业安全监测设 备不完备，网络信息共享缺失以及管理手段落后是造成事故频发的重要 原因之一【1 1 。随着国家对煤矿安全生产工作的日益重视，以及煤矿企业 自身现代化管理的需求和设备投资角度考虑，矿井网络平台的搭建越来 越体现出其受需要的重要程度。 现代矿井生产环境中，配置了种类繁多的监测、监控系统。按监测 目标及监测、监控数据的传输形式主要分为基于传感器信号、基于语音 信号和基于视频信号的3 类监测、监控系统。基于传感器信号的监测、 监控系统有瓦斯浓度、一氧化碳浓度、煤尘浓度、供电、供水、排水、 通风、供压等监测、监控系统和井下人员定位系统；基于语音信号传输 的系统有程控调度通信系统、井下小灵通系统、架线载波移动通信系统、 漏泄电缆通信系统和井下本安工业电话系统；基于视频信号传输的监控 系统有采掘工作面监控系统和井下工业电视监控系统。这些系统在设计 之初只考虑到监测、监控某一特殊类别信号，所以在传输该信号的数据 形式信息时多为独立、非透明标准传输，即只针对该种数据信息设定传 输码率、封装协议及传输介质【2 j 。例如，瓦斯浓度、巷道风速、矿山压 力等矿井安全模拟量监测系统，多遵从r s 4 8 5 通讯接口标准，所监测 的数据传输速率低于1 0 0 3 2 k b i t s ，包括了现有监测、监控系统的分站 和交流采样的单路传感器的数据；井下人员定位系统，多基于无线射频 识别技术( r f i d ) ，数据传输速率多定义于2 4 0 0 b p s ；程控调度通信系 统( 井下电话系统) ，有通过矿用基站传输话音的井下小灵通和固定节 点限定接入位置的工业电话系统两种方式。其中，井下小灵通系统在信 号覆盖区域内实行无线调度方式，传输方式遵循z i g b e e 无线标准。固定 节点采取有线方式，使用本安电话和安全耦合器通过双绞线传输话音。 黑龙江科技学院硕士学位论文 数字话音传输速率多被定义于3 2 、1 6 或8 k b i t s 。当然，伴随网络技术 的进一步成熟，i p 电话技术将在不久被引入井下；井下工作面视频监控 系统所涉及的视频编解码方式最为纷繁，主流技术涉及到i t u t 的 h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 标准和i s 0 i e c 制定的m p e g 系列标准。视频数 据传输速率为普通6 m h z 带宽的模拟信号，或1 5 m b i t s 或n 6 4 k b i t s 的视频信号。 以上各类监测、监控系统均需独立布线，并各自遵从独立的传输协 议。各类监测、监控系统的独立配置虽能够保证各类别被监测信号的独 立正常传输，却也在客观上造成了一定的资源浪费。因为仅针对数据信 号而言，传输介质基本相同，多为矿用防爆阻燃电缆和光纤。所不同的 只是传输协议标准和接入网络形式。多系统各自独立布线，传输协议互 不兼容的配置方案不能够使各监控系统在传输介质层面得到有效融合， 客观上造成了被监测数据的传输效率低下。上位机监控端，每套监控系 统又需要独立配置服务器，这又在无形中造成了服务器设备的重复投 资。如果维持现有的多监控系统各自为政、独立体系的配置方案，则在 网络布线、监控服务器及上位机监控端等方面都存在严重的重复投资， 维护效率低下情况。建设集约型社会与注重效率的生产方式在客观上对 矿井监控网络环境提出的新的要求：即提高设备使用效率，降低重复性 投资。 1 2 课题国内外发展现状 总体而言，我国矿井网络平台的建设现状是总体水平不高，对第 三方监控系统的兼容性不强，没有形成多点接入式平台结构和矿井信息 产业化发展的规模优势，信息基础设施落后，可共享的信息量少，信息 流向单一，无序。与发达国家相比，还有很大的差距p j 。 理论基础研究层面上，国外的研究主要集中于网络组态方式和各 种传输协议的研究方面。较有代表性的如美国马里兰州国立技术大学的 r a h u lm a n g h a r a m ，a n t h o r yr o w e ，r a jr a j k u m a r 等人对语音信号在无 线传感器网络中的传输机制和网络组建加以研究，但未有实际矿井环境 下的测试；加拿大r y e r s o n 大学的m a n d a n aj a r f a r a n 和m a n d a n a j a s e e m u d d i n 合作研究了一种基于井下传感器网络的m d m l 数据传输轮 询机制，并进行了实际环境测试；至于分站级的工业以太网协议的研究 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 主要集中于p r o f i b u s d p 、m o d b u s t c p 和e t h e r n e t i p 等总线级协议间 的转换，研究较多，在此不再赘述。国内的理论研究主要集中于各种总 线形式在矿井下的应用和矿井综合业务数字网络、数字矿山及矿山地理 信息系统等方面。较有代表意义的是中国矿业大学的张申和丁恩杰等人 对于煤矿井下综合业务数字网络( u i s d n ) 的网络结构的研究和以重庆 煤科院为代表的各科研院所对于煤矿监控系统的研究。 实际应用研究层面上，国际著名矿山企业加拿大国际镍公司( i n c o ) 从2 0 世纪9 0 年代初以数字化矿山技术为母体项目研究其下属子项目， 在矿山网络平台方面已经取得了较好业绩，在技术细节方面封锁严格； 澳大利亚c s i r o 在2 0 0 1 年的项目“勘探和采矿数据四维可视化”用v r m l 和j , a v a 实现了一个交互的、三维可视化平台，为用户提供一个交互式、 易理解的煤矿虚拟环境，实现了三维数据的解释、验证和认知；瑞典 h m s 公司推出的a n y b u s 系列多协议转换接口，标准透明且工艺水平先 进。为网络平台的下游设备提供了较好的接口支持。但面对中国市场的 售价定位很高，很难与国内多数矿业集团形成良好的价格契约点。国内 也有一些单位在进行相关研究，其中较为典型的是浙大中控公司的e p a ( e t h e r n e tf o rp r o c e s s i n ga u t o m a t i o n ) 开放网络通信平台，在将工 业以太网应用于工业控制现场设备间的通信研究方面取得了一定成果。 对于基于工业以太网的各类传输协议进行了比较好的融合与拓展，在协 议规范层面取得较好的成绩，但未有矿井方向的技术涉足。常州三恒星 际通讯设备有限公司与中兴通讯股份有限公司共同研制的应用于大中 小型煤矿企业的k t 2 5 型煤矿无线通信系统在语音传输层面上创建了 “调度交换机+ p h s 无线交换机”的组网模式，深圳紫方电子有限公司 又在此基础上研发了可对无线用户实现调度的k t 3 0 型无线通信系统。 但以上两种无线通信系统仅仅是针对语音信息开发，而对于其它基于无 线传输协议，主要是针对当下较流行的z i g b e e 传输协议的监控信息未 开放收发功能。北京凌天世纪自动化技术有限公司的k j 7 0 和k j 2 8 系列 监控系统、重庆煤科院的k j 9 0 一f 8 k j 9 0 一f 1 6 k j - 9 5 井下监控分站等都 实现了多类信息监控，但仍未能形成统一传输标准的网络平台，在兼容 其它厂商的独立监控系统方面也未做进一步开放。双鸭山煤业集团公司 矿井安全监控信息网络( m s n m ) 可实现多方式侦听，不同厂家监控无缝 接入。m s n m 目前可有效联入k j 4 、k j , f 2 0 0 0 、k j 9 5 、k j , 7 5 、k j l 0 1 、k j l 9 、 k j 6 6 、k j 9 0 等监控系统，并针对不同监控系统采取串口侦听、网络端 黑龙江科技学院硕士学位论文 口侦听、文件侦听、文件传输等不同联网方式。但应用领域仅限定于“三 层结构”的信息层软件组态层面，对于设备层的布线及硬件设施整体架 构未有本质性的改变，也未能从根本上实现传感器数据、音频数据和视 频数据的“三网合一 传输。 1 3 课题研究目的及意义 本课题的研究目的在于构建起一个公共网络平台来为所有的监控 系统服务。各监控系统在传感器前端保持现有设备，而在传输信道层面 选用统一的传输介质，采用“接入 的方式接入网络平台，定义统一的 传输标准。使视频信号传输网络、音频信号传输网络和其它数据信号传 输网络能够有机合并，提高传输效率，实现传输介质共享、传输信道合 一、真j 下做到“三网合一 ，简化传输网络【4 j 。课题的创新意义是在于 首次在矿井环境中引入了“三网合一 的设计理念，为后续关于矿井网 络平台的数据传输方面的研究提供了理论支持。 “三网合一”概念下矿井网络平台的搭建能够在设备的使用效率层 面上物尽其用，实现多信道合一，统一终端监控。此外，从系统工程角 度层面上，传输数据的综合利用也有利于为下一步将网络平台接入到矿 务局级监控网络做基础铺挚。客观经济运营层面上，矿井网络平台将有 效降低服务器配置成本，网络布线成本和后期维护成本。为矿区的集约 生产、安全生产提供了有效的资金保证。 1 4 主要研究内容及论文架构 本文主要研究了以工业以太网现有体系为基础的矿井网络平台。设 计以矿用数字光端机为技术关键实现了矿井视频信号传输网络、音频信 号传输网络和诸如井下分站等其它数据传输网络的“三网合一 的矿井 网络平台，并基于此网络平台架构开发了服务器端监控软件。具体章节 安排如下：第二章为基于工业以太网结构的矿井网络平台总体架构；第 三章为矿井网络平台控制层硬件电路设计；第四章为第三章核心技术的 扩展，细节阐述了矿用数字光端机如何实现各类数据报文的分时复用； 第五章给出上位机监控端的服务器及数据库配置架构方案，并给出服务 器端配置主要代码；第六章给出基于m u x p l u s si i 的报文传输仿真时 序图；最后一章给出结论和进一步工作展望。 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 第2 章矿井网络平台的总体架构 2 1 工业以太网结构 工业以太网( e t h e r n e t ) 作为一种成功的网络技术，是由美国x e r o x 公司和s t a n f o r d 大学联合开发并于1 9 7 5 年推出的，成为世界上第一个 局域工业标准。国际上成立了工业以太网协会i e a ( i n d u s t r i a l e t h e r n e ta s s o e i a ti o n ) ，与美国a r ca d v is o r yg r o u p 、a r mr e s e a r c h 研究中心、c a r t n e rg r o u p 等组织合作开展工业以太网关键技术的研究。 工业自动化开放网络联合会i a o n a ( i n d u s t r i a la u t o m a t i o no p e n n e t w o r k i n ga 1 1i a n c e ) 、o d v a ( o p e nd e v i c en e tv e n d o ra s s o c i a t i o n ) 、 c i ( c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ) 等组织致力于将以太网应用于工业现 场控制。德国h i r s e h m a n n 、j e t t e r a g 、o p t 0 2 2 等公司己开发出基于以 太网的控制系统以及i o 产品。工业以太网重点在于利用交换式以太 网技术为控制器和操作站，各种工作站之间的相互协调合作提供一 种交互机制并和上层信息网络无缝集成。目前工业以太网开始在监 控层网络上逐渐占据主流位置，正在向现场设备层网络渗透。工业 以太网重点在于利用交换式以太网技术为控制器和操作站，各种工 作站之间的相互协调合作提供一种交互机制并和上层信息网络无 缝集成【5 1 。目前工业以太网开始在监控层网络上逐渐占据主流位置， 正在向现场设备层网络渗透。工业以太网相对于以往自动化技术有 很多优势。 通常工业以太网的拓扑结构是多种多样的，为了保证可靠性和冗余 性，各个生产工业控制现场系统和设备的厂家提供了不同的系统结构的 参考设计【6 】。如：h i r s c h a m n n ，j e r e r a g ，s i e m e n s 等，每个公司的以太 网系统各有特色。s i e m e n s 的s i m a t i c n e t 采用了以太网结构。具有网 络故障后高速重新配置的冗余控制过程，重新配置网络建立通信仅需要 零点几秒。高速的介质冗余是通过在骨干网络中加入具有网络冗余管理 器的o s m ( 光学交换模块) 或e s m ( 电气交换模块) 来实现的。西门子一 个典型的应用是在系统站之间用工业以太网传递数据，而在现场则采用 p r o f i b u s 通信。西门子公司的o s m 和e s m 具有交换功能，利用交换技 术构成以太网络，可以模块间互联，模块还可以接6 个终端或网段。o s m 黑龙江科技学院硕十学位论文 中有两对光纤接口，可用于构成冗余光纤环。为了应用于严酷的工业环 境，s i m a t i c n e t 发挥其所长，为以太网技术补充了不少重要的性能， 如简单但高效的信号装置不断地监视网络元件、冗余配置的防掉电故障 网络和用于严酷环境的网络元件等。德国j e t t e r a g 的j e t w e b 自动化系 统是基于1 0 0 m b s 以太网的分布式智能控制系统，宣称“网络就是控制 器 的观点。其特点是：( 1 ) 类似i n t e m e t 的结构，对数据的实时传输不 需要编程，不需要考虑网络的层次结构；( 2 ) 对用户来说，只有一组数 据和一个程序，所有数据在网络中只需表达一次，程序和数据均可以重 复使用，网络扮演真正服务器的作用；( 3 ) 从传感器到工厂管理层，只 有一条以太网总线进行直接通信；( 4 ) 可连接到i n t e r n e t ，实现整个工 厂全球化联网；( 5 ) 以太网既是连接到各种智能模块的系统总线，又是 连接现场设备的现场总线，内部和外部的通信在此没有什么区别，集线 器技术被集成在每个控制器中，通过分配地址空间将内部通信从外部通 信中分离出来。集线器技术及底层协议的集成，确保了以太网的确定性 和兼容性，排除了通信的碰撞问题。以太网系统总线就是现场总线，它 可连接到每个独立的控制模块。整个过程或系统被看作一个逻辑单元， 甚至是一个独立的控制器，不需考虑网络的各层概念，而只形成一个层， 去除了c p u 的瓶颈效应。所有数据在网络中仅表达一次，网络扮演真 正的服务器的角色。网络可实现从传感器到i n t e r n e t 、管理层的直接通 信，与i t 和o f f i c e 办公软件兼容，还可进行整个工厂的联网。h i r s c h a l m n n 的以太网系统结构在无间断的工业应用领域，需要网络在电磁场干扰， 高的运行温度和机械负荷等极端条件下稳定地工作，为了迎接这些挑 战，h i r s c h a m n n 推出了冗余“以太环网”，即便在网络重新组态时，它 也能确保连续的生产运行。“以太坏网”系统重新组态所需时间仅为1 毫秒，允许在网络运行时对它进行维护和扩充，“以太环网”和其他创 新技术确保了最终网络和生产系统的可靠性。 由上可见，s i e m e n s 的s i m a t i c n e t 仅仅是在系统站之间使用了以 太网通信，而在现场设备之间利用其公司自身的优势使用的是p r o f i b u s ， 并非真正的用以太网一网到底；德国j e t t e r a g 的j e t w e b 自动化系统在 控制器中集成了集线器技术，集线器技术及底层协议的集成，虽然确保 了以太网的确定性和兼容性，排除了通信的碰撞问题，但是对可扩展性 和互操作性支持不好；h i r s c h a m n n 提出的冗余“以太环网”，推出的具 有冗余管理功能的集线器和交换机，可确保网络和生产系统的可靠性。 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 2 传统矿井网络的架构 传统的网络架构是催生矿井网络平台开发的先决因素。由于历史原 因，现行的矿井监控系统网络层面上多遵从于各监控系统单独布线，各 为独立体系的c s 架构。在信息层与设备层之间长距离重复布线，客户 浏览器端兼负服务器端责任。可靠性低，投入量大。传统矿井监控系统 网络架构方案如图2 1 所示。 工业电视监控系统 下业电话系统 ( 视频数据)( 爵频数据) 服务器 瓦斯监控系统 ( 传感器低速数据) 图2 1 传统矿井网络的架构 f i g 2 - 1t r a d i t i o n a ln e t w o r ks t r u c t u r eo fm i n e 2 3 基于工业以太网的矿井网络平台整体架构 矿井网络平台的整体架构建立于“三网合一”的设计理念。然而真 正要实现“三网合一”，其技术关键点在于找到一个结合点能够融合三 种网络，即使视频信号传输网络、音频信号传输网络和其它数据信号传 输网络能够合并为统一的传输网络【7j 。进而在井上监控端能够单终端显 示所有网络信息。简化网络配置，降低布线和显示终端成本。 矿井网络平台的设计关键在于在传输网络的信息层与设备层之间 引入控制层的概念。而承载控制层概念的核心技术关键，我们通过引入 矿用数字光端机来实现。由矿用数字光端机来融合三种传输网络，并添 加唯一服务器来全局统一调配控制设备层监控设备。设计目的在于节约 客户浏览器端投入成本，并增强浏览器端安全性。即井上监控端只充当 浏览器任务，数据处理完全在服务器端执行，浏览器端无操作权限。主 黑龙江科技学院硕十学位论文 干网选用光纤敷设，这样不仅可以解决骨干网的远距离通信问题，而且 由于光纤具有较好的电磁兼容性，更可以大大提高骨干网的抗干扰能力 和可靠性。通过光纤连接，骨干网具有较大的带宽，为将来网络的扩充、 速度提升留下升级空间捧j 。另外，相对于传统交换机的组网方式，矿用 数字光端机的数字编码信号以0 、1 制式直接控制光收发模块的光信号 强弱变化，无需对视频信号进行压缩，这也是矿用数字光端机被引入的 技术关键。设备层中的三种类型数据，即高速视频数据流、音频数据流 和低速井下分站传感器数据包通过光纤传输至矿用数字光端机，而在光 端机和服务器间只需单线传输，即1 路光纤即可完成现行c s 架构网络 中需至少3 路光纤才能完成的任务。节约布线成本效果显著。基于b s 架构的改进后网络架构如图2 2 所示。 丁q k 电视监控系统下业电话系统既所箍径系统 ( 视频数据) ( 群频数据) 【传赌器低建数据) 图2 - 2 矿井网络平台的架构 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo fn e t w o r kp l a t f o r mo fm i n e 需要说明的是，架构图中额外配置的第2 套服务器和光端机起到在 线热备份和双纤自愈环的作用，采用抗干扰的光纤和集成的冗余机制增 强了数据网络的可靠性。交换机中的智能控制功能允许实现多网段间的 冗余连接。两个网段之间可以通过两条独立的链路相连，每条链路连接 不同的交换机。连接主链路的交换机与连接冗余链路的交换机之间通过 一根控制线交换它们的工作状态数据。当主链路发生故障时，冗余交换 机立即启动冗余链路。一旦主链路恢复正常，连接主链路的交换机即将 这一状态通知连接冗余链路的交换机。主链路工作，冗余链路断开。为 可剪裁配置方案。 8 黑龙江科技学院硕十学位论文 2 4 矿井网络平台的设备层架构 井下信息源主要分为三大类：速率低于1 0 0 3 2 k b p s 左右的数据信 号，包括了现有监测、监控系统的分站和交流采样的单路传感器的数据； 3 2 ，1 6 或8 k b p s 的数字话音信号，多基于i t u t 制定的h 3 2 3 标准，但 随着v o l p 技术的不断深入，i e t e 的s i p 标准将获得更为广泛的认知空 间；普通6 1 0m h z 带宽的模拟视频信号，或1 5m b p s ，或n x 6 4k b p s 的视频信号，多基于国际电联的h 2 6 4 标准和国际标准化组织运动图像 专家组的m p e g 标准。井下可用的通信传输介质主要有防爆阻燃电缆、 光纤和漏泄电缆。我国煤矿多选用p u y v 3 9 1 型或p u y v 3l 型防爆阻燃 电缆为主要通信介质，漏泄通信设计多选用m s l y f ( y ) v z 7 5 9 型矿用 漏泄同轴电缆i7 1 。 基于以上三类信息源的分类，井下设备层应设立分站级设备站作为 数据节点，其它传感器系统诸如瓦斯传感器报警系统、风速传感器系统 和井下人员定位等监测监控系统以r s 4 8 5 总线标准、c a n 总线标准等 工业太网标准接入井下分站。底层传感器节点间由于普遍使用集线器或 交换机，拓扑结构为星型、分散星型或环型连接。令牌轮询方式采集数 据。复用方式为时分复用。 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 第3 章矿井网络平台控制层硬件设计 改变矿井监控网络平台的传统架构，核心技术关键在于引入矿用数 字光端机的架构理念。通过矿用数字光端机，可以将高速视频、音频数 据和低速传感器数据分时复用传输，实现“三网合一”，削减监控端及 布线成本【9 儿1 0 1 。项目的设计目的在于实现高速数据和低速数据的分时复 用，统一信道传输。实验室条件下，按传输数据的带宽范围，设计要求 传输2 路传感器数据信息，2 路双向音频数据信息和4 路视频数据信息。 所需最小工作带宽为8 m ，设计带宽为1 0 m 。 3 1 矿用数字光端机总体工作架构 3 1 1 光发送机端工作原理 光发送机端主要由以下5 部分组成：传感器数据处理模块、音频数 据处理模块、视频数据处理模块、音频数字复分接模块和系统数字复分 接单元。其中，系统数字复分接单元又分解为基于c p l d 的系统复分接 模块、正向视频数据、正向音频数据和正向传感器数据的复用发送模块 以及以上三种数据的反向接收模块三部分二级子模块【i l 】【l2 1 。各模块问硬 件连接及数据流向框图如图3 1 所示： 图3 1 光发送机端模块连接框图 f i g 3 1c o n n e c t i o nd i a g r a mo fo p t i c a lt r a n s m i t t e rt e r m i n a l l o 黑龙江科技学院硕十学位论文 光发送机端负责将井下传感器监测到基础传感器数据、工业电话系 统的音频数据和井下工作面的工业电视系统采所集到的视频数据经由 相应的物理端口传送至光端机的传感器数据处理模块、音频数据处理模 块和视频数据处理模块。传感器数据处理模块负责将r s 2 3 2 及r s 4 8 5 电平转换为t t l 逻辑电平，以便复用。音频数据处理模块负责将模拟 音频信息量化为数字量并经由音频数字复接模块送入系统数字复接模 块等待复用发送。视频数据传输模块负责将云台采集到的视频信息进行 模拟量到数字量的量化转换，以备复用。其中涉及到提取色同步信息。 传感器监测数据、音频数据和视频数据经由传感器数据处理模块、 音频数据处理模块和视频数据处理模块后被送往c p l d 数字复分接模块 进行数字复接。复接后的传感器数据、音频数据和视频数据信息经由音 频视频数据发送模块被复用传输至光电收发一体机模块，经过电信号到 光信号的转换，送入光纤敷设的主干网络，统一信道传输，实现“三网 合一 。 需要说明的是，音频数字复接模块需传输双向的音频数据信息，而 传感器数据流和视频数据流为单向传输，井上监控端只负责浏览告警， 无需反馈数据。如果井下工作面所配置云台要求能够按照井上终端命令 转动，则传感器数据处理模块所传输的数据流应工作于全双工通信模 式。为可剪裁配置项。 3 1 2 光接收机端工作原理 光接收机端和光发送机端实际上执行的分别是解复用和复用的互 为逆向的数据处理过程。各类数据模块构成类似。与光发送机端相比较， 光接收机端也包括传感器数据处理模块、音频数据处理模块、视频数据 处理模块和数字复分接模块。其中，数字复分接模块又包括基于c p l d 的音频数字分接模块和系统数字复分接模块。系统数字复分接模块内含 反向数据发送模块和视频音频数据接收模块。经处理后的数据流被发送 至光收发一体模块，电光转换后传送至光通信网络进行传输。各模块间 硬件连接及各类数据流向框图如图3 2 所示： 井上监控端标准配置由浏览器端监视器、工业电话系统和监控软件 信息平台三部分组成。监视器可用液晶面板或l c d 液晶拼接单元构成， 负责监控井下工作面的工作情况。工作面较少的情况下，也可简化配置 为标准电视机。工业电话负责井上与井下的双工通信任务。如无需双工 黑龙江科技学院硕十学位论文 音频通信传输要求，本部分可简化为单向的拾音器。为可剪裁配置。监 控计算机按所装的软件平台权限又分为前台管理员浏览信息平台和数 据信息处理后台两部分。浏览器端只有浏览权限而无修改、配置权限。 对于数据的处理过程完全在服务器端完成，井上浏览器端无需参与计算 过程。这样，既保证了数据处理过程的安全、保密，又在客观上节约了 浏览器端得配置预算。 图3 2 光接收机端模块连接框图 f i g 3 2c o n n e c t i o nd i a g r a mo fo p t i c a lr e c i e v e r t e r m i n a l 3 2 传感器数据处理模块 考虑到井下工作节点配置的传感器多为有线连接方式，正常工作状 态下，传输接口多支持r s 2 3 2 、r s 4 8 5 总线标准。所以，传感器数据处 理模块主要完成电路内部t t l 电平到外部数据通信r s 2 3 2 r s 4 8 5 标准 的电平相互转换。考虑到实际操作的灵活性，我们设计通过设置跳线来 完成对于外部电路r s 2 3 2 标准或r s 4 8 5 标准的选择任务。t t l 电平到 r s 2 3 2 电平的转换任务选取m a x 2 3 2 e w e 来完成。该电路为典型应用 电路，1 、3 脚和4 、5 脚间短接的电解电容起到将5 v 电压转换为1 0 v 的作用。1 1 脚和1 0 脚为t t l 电平输入端，1 4 脚和7 脚为r s 2 3 2 信号 输出端。对于r s 2 3 2 电平到t t l 电平的逆向接收过程，则只需分配8 脚和1 3 脚为接入引脚，9 脚和1 2 脚为输出引脚。t t l 电平到r s 4 8 5 电 1 2 图3 - 3t t l 到r s 2 3 2 标准的电平转换电路 f i g 3 - 3l e v e lc o n v e r tc i r c u i tf r o mt t l t or s 2 3 2 g n d d i ： 垒t d i n a ad e ；3 b r e 。 2 v c crl b l 8 镐7 e 图3 - 4t t l 到r s 4 8 5 标准的电平转换电路 f i g 3 - 4l e v e lc o n v e r tc i r c u i tf r o mt t l t or s 4 8 5 需要说明的是，因光发送机端和光接收机端工作原理互为可逆过程， 且对于传感器数据处理模块而言，所唯一不同的只是在转换电平的逆向 功能定位方面。电平转换标准和转换原理趋于相同，在此不再赘述。另 外，相对于m a x 2 3 2 e w e 的工作状态固定，i s l 8 4 8 7 e 芯片的工作状态则可 以通过置位相应的使能管脚，即d e 管脚和r e 管脚来控制其工作状态。 降低了接线的复杂性。图中，2 脚和3 脚同时接高电平，则6 脚和7 脚 输出0 、1 电平的4 8 5 总线信号，设计时，我们附加了串联稳压和并联 保护电路。 黑龙江科技学院硕十学位论文 3 3 音频数据处理模块框组 3 3 1 光发送机端音频数据处理模块 参见图3 1 或图3 2 中音频数据处理模块框组，分为音频数据处理 模块和c p l d 音频数字复分接模块两部分，图中用虚线框出。其中， c p l d 音频数