工业以太环网设计方案

1、工业以太环网设计技术指导文件1.1概述掌石沟煤业是基本实现机械化生产，具有复杂生产系统的矿井，为提高矿井 的生产效率，对矿井综采工作面、顺槽胶带、主运输系统、通风机房、井下变电 所等环节实施统一操作、集中监控、统一调度。各矿综合自动化系统，根据管控 一体化思想，以三层网络为基础，结合自动化、信息、计算机、网络、通讯的新 理论和技术，采用世界先进的自动化产品、网络产品和工业控制软件、数据库软 件，将煤矿生产、管理的各个环节，统一在一个网络平台上，形成一个统一、完 整的有机整体，使其在系统结构、网络通讯、自动化覆盖范围方面处于同类矿井 的领先水平。设计综述掌石沟煤业综合自动化控制网络系统的建设应遵

2、循数字化、高速化、智能 化、标准化、安全可靠、易扩充升级的原则进行设计，同时充分考虑公司综合自 动化系统总体规划和综合自动化系统网络建设的现状。对于掌石沟煤业工业综合自动化平台网络系统， 在井上和井下设置的高速以 太环网，主链路采用千兆光纤。在核心层采用千兆工业以太网技术，通过千兆链 路将各环网的交换设备连接到网络系统的核心层次，同时具备高冗余性能。各环网结点主要是连接结点交换机附近的工业设备，以达到控制和信息 采集的目的信息层：建设信息管理网，采用标准 TCP/IP协议和以太网技术。实 现矿区各个管理部门的网络连接，实现人、财、物以及工程施工全过程管理的综合自动化，能对煤炭的生产状况进行实时

3、监视 ,为管理决策提供依据。 控制层：建设综合自动化控制网，采用工业以太环网+ 现场工业总线来实现，实现将井上和井下区域控制器和设备监控站所采集的信息和控制信号传送 给有关系统。设备层：在设备控制层主要是煤矿各专业控制子系统。1.2 控制层网络设备的技术与产品选型本技术指导文件将采用基于以太网 TCP/IP 的工业以太网技术，传输介质采 用层绞式矿用阻燃型光缆，网络结构采用基于光纤工业以太网的环形架构。1.2.1 技术选择现代煤矿的生产监控管理系统中往往使用到多家厂商提供的多种不同类型 的设备，为了达到方便管理， 保证系统运行稳定的目的， 必须选择一个开放的通 信平台，并将各种不同类型设备的通

4、信统一到这一标准通信平台之上。 为保证良 好的兼容性和可扩充性， 建议使用以太网 TCP/IP 技术作为整个系统的通信标准。 如有其他类型的通信格式，如 RS232 RS485或其他专用通信接口等等，均可通 过协议网关转换为以太网信息包，在 IP 网络上进行传送。以太网 TCP/IP 技术 具有以下的优势：随着企业的发展、各种新技术的应用，可以预见，对网络的带宽要求也 会越来越高，比如基于网络的视频监控传输应用和井下设备信息数据采集等都需 要进行大量数据的传输。以太网技术具有相当高的数据传输速率（目前已有成功案例应用于井下工业环境下的以太网交换机 ），能提供足够的带宽。能在同一总线上运行不同的

5、传输协议，从而能建立企业的公共网络平台 或基础构架。支持交互式和开放的数据存取技术。沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维 护和诊断工具，成为事实上的统一标准。允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。以太网早期存在不确定性和实时性能欠佳的问题， 已通过智能交换机的使用、 主动切换功能的实现、 优先权的引入等， 基本上得到了解决。 通过提高数据传输 速率，仔细地选择网络的拓扑结构、设置服务质量（QOS ）等，从而保证数据传 输的准确性和实时性。因此，本技术指导文件选择工业以太环网组网技术作为综合自动化控制网的 技术选型。1.3 冗余工业以太网网络设计1.3.1 综述随

6、着网络化、 综合自动化概念向自动化领域的不断渗透， 自动化控制理念和 技术也在不断发展。在上世纪末新型的现场总线控制系统突破了 DCS 系统中通 信由专用网络的封闭系统实现所造成的缺陷， 试图将基于封闭、 专用的解决技术 指导文件变成了基于公开化、标准化的解决技术指导文件。此后，上位机、 PLC 和现场总线构成的集散监控系统逐步成为自动化的主流。 但由于不同行业不同应 用派生出的不同的总线系统， 加之经济利益的冲突， 各种不同的现场总线标准之 间的互不兼容严重束缚了不同厂商设备之间的互连， 使得现场总线成为受厂商限 制的专用网络。随着以太网技术的不断发展， 它不仅在办公自动化领域而且在工业自动

7、化场 合得到了广泛应用，许多控制器、PLC、智能仪表、DCS系统已经带有以太网接 口，这些都标志着工业以太网已经成为真正开放互连的工业网络的发展方向。 采 用的基于工业以太网的集成式全分布控制系统， 具有高度的分散性、 实时性、 可 靠性、开放性和互操作性的特点， 因此，本技术指导文件采用工业以太网技术进 行综合自动化控制网的设计。1.3.2 工业以太网的特点及安全要求虽然脱胎于 Intranet、 Internet 等类型的信息网络，但是工业以太网是面向生 产过程，对实时性、可靠性、安全性和数据完整性有很高的要求。（1）工业以太网是一个网络控制系统， 实时性要求高，网络传输要有确定性。（2）

8、整个企业网络按功能可分为处于管理层的通用以太网和处于监控层的工 业以太网以及现场设备层 （如现场总线） 。管理层通用以太网可以与控制层的工 业以太网交换数据，上下网段采用相同协议自由通信。（3）工业以太网中周期与非周期信息同时存在， 各自有不同的要求。 周期信 息的传输通常具有顺序性要求， 而非周期信息有优先级要求， 如报警信息是需要 立即响应的。（4） 工业以太网要为紧要任务提供最低限度的性能保证服务，同时也要为非 紧要任务提供尽力服务，所以工业以太网同时具有实时协议也具有非实时协议。1.3.3 工业以太网的应用安全问题分析（1）在传统工业工业以太网中上下网段使用不同的协议无法互操作，所以使

9、用一层防火墙防止来自外部的非法访问， 但工业以太网将控制层和管理层连接起 来，上 下网段使用相同的协议，具有互操作性，所以使用两级防火墙，第二级 的防火墙用于屏蔽内部网络的非法访问和分配不同权限合法用户的不同授权。 另 外还可用根据 日志记录调整过滤和登录策略。要采取严格的权限管理措施，可以根据部门分配权限，也可以根据操作分配 权限。由于工厂应用专业性很强，进行权限 管理能有效避免非授权操作。同时 要对关键性工作站的操作系统的访问加以限制， 采用内置的设备管理系统必须拥 有记录审查功能，数据库自动记录设备参数修改事 件：谁修改，修改的理由， 修改之前和之后的参数，从而可以有据可查。（ 2）在工

10、业以太网的应用中可以采用加密的方式来防止关键信息窃取。目前主要存在两种密码体制： 对称密码体制和非对称密码体制。 对称密码体制中加 密解密双方使用相同的密钥且密钥保密，由于在通信之前必须完成密钥的分发， 该体制中这一环节是不安全的。 所以采用非对称密码体制， 由于工业以太网发送 的多为周期性的短信息， 所以采用这种加密方式还是比较迅速的。 对于工业以太 网来说是可行的。还要对外部节点的接入加以防范。（ 3）工业以太网的实时性目前主要是由以下几点保证： 限制工业以太网的通 信负荷，采用 1000M 的快速以太网技术提高带宽，采用交换式以太网技术和全 双工通信方式屏蔽固有的 CSMA/CD 机制。

11、随着网络的开放互连和自动化系统大 量 IT 技术的引入，加上 TCP/IP 协议本身的开放性和层出不穷的网络病毒和攻 击 手段，网络安全可以成为影响工业以太网实时性的一个突出问题。1.3.4 综合自动化网络冗余方式选型MOXA交换机的超级环网仅仅在切换中已传递的数据延迟20ms而已，没有 数据丢失的问题。 选择单环单节点冗余网络是基于对现场各个控制系统的了解及比较决定的。因为要做到比单环单节点冗余网络更加可靠的环网， 就要选择双环网结构， 所以 各矿选择既经济又可靠的单环单节点冗余结构。本次规划采用单环单节点组网方式，兼顾了可靠性与经济性。 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

12、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。1.3.5 网络产品的选型1. 信息管理网络产品选择 考虑到信息管理网络对网络设备的性能、 功能要求较高， 建议采用目前市场 主流的网御星云公司的网络设备。2. 综合自动化控制网络产品选择 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，本技术指导文件采用台湾 MOXA 公司的工业以太网交换机系列。MOXA 工业级交换机产品特点：1、有工

13、业级核心交换机，带宽万兆级别可承上启下，无信息传输瓶颈。2、可以建立多环，系统带宽随环数倍数增加，方便扩容。3、交换机电磁兼容性、工作温度、平均工作时间等指标是其他设备无法达到的。摩沙公司的工业以太网交换机EDS618A和核心交换机PT7728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作现场的要求。摩沙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100ms不会造成数据丢失的问题。1）

14、网络架构核心设备一一工业以太环网交换机要求以下设备具体配置要求以设备清单为准。中央核心交换机PT7728（ 2台互为冗余）PowerTrans PT-7728是一款高性能的交换机。PT-7728满足变电站自动化系统（IEC 61850-3 IEEE 1613）、交通控制系统（NEMA TS2 ）和轨道交通系统（EN50121-4）的需求。PT-7728可组建高性能的千兆以太网骨干网络、冗余环网，它具备24/48 VDC或110/220 VDC/VAC冗余电源输入的功能，在提高网络通信稳定性的同时还可以节省布线。PT-7728模块化的设计为用户提供更加轻松 的组网方式，4个千兆端口和24个以太网

15、口让您在组建网络时更加灵活。PT-7728 还可以选择前/后出线的方式，非常适合您的各种应用。支持虚拟局域网技术（VLAN ）:使用虚拟局域网技术，通过将网络划分为独立的子网，可以有效的降低网络的负荷，提高网络的通讯效率，它具有以下特点：-支持 Turbo Ring 和 RSTP/STP（ IEEE802.1W/D）-IGMP Snooping和GMRP过滤多播封包7 / 14-支持基于端口的 VLAN、IEEE 802.1Q VLAN 和GVRP协议，轻松实现网络管理-通过 QoS-IEEE 802.1p/1Q 和 TOS/DiffServ 提升决策机制-采用802.3ad LACP优化网络

16、带宽-支持IEEE 802.1X和https/SSL，增强网络安全性-SNMP V1/V2c/V3用于不同级别的网络管理-采用RMON提升网络监控能力-ABC-01自动备份配置器-带宽管理可以阻止不可预料的网络状态，端口锁定只允许授权的MAC地址访问-端口镜像用于在线调试-异常事件通过E-mail和继电器自动输出报警-自动恢复连接设备的IP地址-Li ne-swap快速恢复-可通过 web 浏览器、Tel net/Serial con sole Win dows Utility 和 ABC-01 配本次设计采用其中4个千兆网络光口，16个百兆网络电口的核心交换机，网络千兆光口与千兆环网联接，建

17、立主/备冗余。网络百兆电口与服务器之间连接,从主干环网到服务器实现三层冗余， 避免数据在网络传输的瓶颈，同时在调度台放置的操控站与核心交换机网络千兆电口连接,高可靠性。实现操控站主干交换机 EDS-618AMOXA EtherDevice Switch EDS-618A网管型工业以太网交换机。千兆以太网冗余协议Turbo Ring（自愈时间20ms）,可以提升您的千兆网络骨干的可靠性。EDS-618A 以太网交换机支持多种智能化的网络管理功能，包括 QoS， IGMPSnooping/GMRP， VLAN， Port Trunking， SNMP V1/V2c/V3 ， IEEE 802.1X

18、 和Https/SSL 等功能。它具有如下特点：- 2 个千兆端口 16个快速以太网端口-Turbo Ring. Turbo Chain, RSTP/STP用于以太网冗余 IEEE 1588 PTP,Modbus/TCP， LLDP， SNMP Inform， QoS， IGMP snooping， VLAN，IEEE 802.1X，HTTPS，SNMPv3和支持 SSH-ABC-01 （自动备份配置器）更易于置换故障设备-IPv6 Ready认证（IPv6标志委员会认证）-IEEE 1588PTP （精密时间协议），用于与网络同步的准确时间- DHCP Opition 82，用于以不同策略分

19、配 IP 地址-支持工业以太网协议 Modbus/TCP-Turbo Ring及Turbo Cha in （全载时自愈时间 20毫秒）和RSTP/STP（IEEE 802.1w/D）-IGMP Snooping及GMRP，用来过滤工业以太网协议中的多播流量-基于端口 VLAN，IEEE 802.1Q VLAN和GVRP，轻松实现网络规划-支持 QoS-IEEE 802.1p/1Q 和 TOS/DiffServ，增加网络确定性-支持端口聚合，优化网络带宽-支持SNMPv3, IEEE 802.1X，HTTPS和SSH增加网络安全性-支持SNMPv1/v2/v3不同等级的网络管理协议煤矿防爆兼本安

20、环网交换机基本要求具有防爆或本安认证单台交换机具有本安RS485或RS232接口，方便井下总线子系统接入 具有10个以上的出线嘴（2）、KJJ58型矿用本安型以太环网交换机参数：网络系统中采用的千兆 MOXA工业交换机节点设备均为专 为工业环境设计的工业交换设备，能够适应高温、高湿、尘埃和 震动的环境，满足在煤矿环境的防爆及安全要求。符合GB5005492爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范和GB3836- 83爆炸性环境用防爆电器设备通用要求。考虑到现场的恶劣条件，为减少因电源故障而产生的网络中断等事故发生几 率。提高网络的可用性，井下环网交换机内部均配备了专用的不间断电源。交换机工作电压：1

21、27V/220V/380V/660V以太网光信号接口a、接口数量：4个。b、传输方式：全双工TCP/IP传输协议，波长为1310nm的单模光纤c、传输速率：10/100/1000M自适应。d、光发射功率：-10dBm-5dBm。e 光接收灵敏度：w -20dBm。使用 MGTSV- （2、4、6、8、10、12） A 型光缆。以太网电信号接口性能（本安接口）a、接口数量：6个b、传输方式：全双工 TCP/IP 传输协议。c、传输速率： 10/100 Mbps 自适应。d、信号工作电压峰峰值： 1V5V 。e、到分站设备之间最大传输距离： 5m（MHYVR 电缆，电缆分布参数：分布电容：w 0.

22、06尸/Km。分布电感：w 0.8mH/ Km。直流电阻：w 12.8Q/Km ）。RS485信号接口（本安接口）a、接口数量： 4 个b、传输方式：半双工RS485信号，双极性。c、传输速率： 2400bps。d、信号工作电压峰峰值：w 10V。e 信号工作电流峰值：w 95mA。f、到分站设备之间最大传输距离： 20km;服务器、工作站等设备的连接在中央调度室或机房的各个服务器、 工作站等设备可通过快速以太网卡直接 与中央监调度室室的核心交换机的端口相连， 提供 10/100M/1000M 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交换机的相应 端口相连，提供

23、10/100M 的端口速率。1.4 交换机布置技术指导文件介绍1.4.1 网络配置1 、环网部分：根据掌石沟煤业矿井地域实际情况， 按区域、 节点数量、 规模可划分为一个 环。自动化控制环网按照网络节点与网络应用不同，分为中央网络与接入工业以 太网环网两部分。中央网络核心设备与同机房的环网接入设备互连， 保证不同环网之间的数据 的传输。主环网都采用当今技术领先的千兆工业以太网技术。中央网络设置于中心机房，用于提供接入环网的上联，以及大量服务器的接 入。同时，中央网络通过安全措施与信息管理网互联。中央网络设置两台PT7728作为整个网络的汇聚核心交换机，通过光缆与主干交换机之间进行传输。井下部分

24、各交换机及设计布置点如下:序号设计布置点交换机数量备注1调度机房核心交换机2机房2中央变电所节点交换机1井下3煤仓节点交换机1井下4米区变电所节点交换机1井下2、环网交换机由于工业环境（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。因而本技术指导文件采用 可靠的工业级的以太网交换机。所有交换机都采用光纤端口组环，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。当其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500ms内恢复正常的通讯，这样就构成二级冗余。如果环网中某个交换设备