工业以太环网设计专业方案

工业以太环网设计方案

1.1概述

掌石沟煤业是基础实现机械化生产，含有复杂生产系统矿井，为提升矿井生

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

步骤实施统一操作、集中监控、统一调度。各矿综合自动化系统，依据管控一体

化思想，以三层网络为基础，结合自动化、信息、计算机、网络、通讯新理论和

技术，采取世界优异自动化产品、网络产品和工业控制软件、数据库软件，将煤

矿生产、管理各个步骤，统一在一个网络平台上，形成一个统一、完整有机整体，

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领先水平。

1.1.1设计综述

掌石沟煤业综合自动化控制网络系统建设应遵照数字化、高速化、智能化、

标准化、安全可靠、易扩充升级标准进行设计,同时充足考虑企业综合自动化系

统总体计划和综合自动化系统网络建设现实状况。

对于掌石沟煤业工业综合自动化平台网络系统，在井上和井下设置高速以太

环网，主链路采取千兆光纤。在关键层采取千兆工业以太网技术，经过千兆链路

将各环网交换设备连接到网络系统关键层次，同时含有高冗余性能。

>各环网结点关缝是连接结点交换机周围工业设备，以达成控制和信息采

集目标信息层：建设信息管理网，采取标准TCP/IP协议和以太网技术。实现矿

区各个管理部门网络连接，实现人、财、物和工程项目管理综合自动化，能对煤

炭生产情况进行实时监视，为管理决议提供依据。

>控制层：建设综合自动化控制网，采取二业以太环网+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信息和控制信号传送给

相关系统。

>设备层：在设备控制层关键是煤矿各专业控制子系统。

1.2控制层网络设备技术和产品选型

本方案将采取基于以太网TCP/IP工业以太网技术，传输介质采取层绞式矿

用阻燃型光缆，网络结构采取基于光纤工业以太网环形架构。

1.2.1技术选择

现代煤矿生产监控管理系统中往往使用到多家厂商提供多个不一样类型设

备，为了达成方便管理，确保系统运行稳定目标，必需选择一个开放通信平台，

并将多种不一样类型设备通信统一到这一标准通，言平台之上。为确保良好兼容性

和可扩充性，提议使用以太网TCP/IP技术作为整个系统通信标准。如有其它类

型通信格式，如RS232,RS485或其它专用通信接口等等，均可经过协议网关转

换为以太网信息包，在IP网络上进行传送。以太网TCP/IP技术含有以下优势：

>伴随企业发展、多种新技术应用，能够预见，对网络带宽要求也会越来

越高，比如基于网络视频监控传输应用和井下设备信息数据采集等全部需要进行

大量数据传输。以太网技术含有相当高数据传输速率（现在已经有成功案例应用

于井下工业环境下以太网交换机），能提供足够带宽；

>能在同一总线上运行不一样传输协议，从而能建立企业公共网络平台或

基础构架;

>支持交互式和开放数据存取技术;

>沿用多年，已为众多技术人员所熟悉，市场上能提供广泛设置、维护和

诊疗工具，成为实际上统一标准；

>许可使用不一样物理介质和组成不一样拓扑结构。

以太网早期存在不确定性和实时性能欠佳问题，已经过智能交换机使用、主

动切换功效实现、优先权引入等，基础上得到了处理。经过提升数据传输速率，

仔细地选择网络拓扑结构、设置服务质量（QQS）等，从而确保数据传输正确性

和实时性。

所以，本方案选择工业以太环网组网技术作为综合自动化控制网技术选型。

1.3冗余工业以太网网络设计

1.3.1综述

伴随网络化、综合自动化概念向自动化领域不停渗透，自动化控制理念和技

术也在不停发展。在上世纪末新型现场总线控制系统突破了DCS系统中通信由

专用网络封闭系统实现所造成缺点，试图将基于封闭、专用处理方案变成了基于

公开化、标准化处理方案。以后，上位机、PLC和现场总线组成集散监控系统逐

步成为自动化主流。但因为不一样行业不一样应用派生出不一样总线系统，加之

经济利益冲突，多种不一样现场总线标准之间互不兼容严重束缚了不一样厂商设

备之间互连，使得现场总线成为受厂商限制专用网络。

伴随以太网技术不停发展，它不仅在办公自动化领域而且在工业自动化场所

得到了广泛应用，很多控制器、PLC、智能仪表、DCS系统已经带有以太网接口，

这些全部标志着工业以太网已经成为真正开放互连工业网络发展方向。采取基于

工业以太网集成式全分布控制系统，含有高度分散性、实时性、可靠性、开放性

和互操作性特点，所以，本方案采取工业以太网技术进行综合自动化控制网设计。

1.3.2工业以太网特点及安全要求

即使脱胎于Intranet、Internet等类型信息网络，不过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)整个企业网络按功效可分为处于管理层通用以太网和处于监控层工业以

太网和现场设备层(如现场总线)。管理层通用以太网能够和控制层工业以太网

交换数据，上下网段采取相同协议自由通信。

(3)工业以太网中周期和非周期信息同时存在，各自有不一样要求。周期信

息传输通常含有次序性要求，而非周期信息有优先级要求，如报警信息是需要立

即响应。

(4)工业以太网要为紧要任务提供最低程度性能确保服务，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含有实时协议也含有非实时协诙。

133工业以太网应用安全问题分析

(1)在传统工业工业以太网中上下网段使用不一样协议无法互操作，所以使

用一层防火墙预防来自外部非法访问，但工业以太网将控制层和管理层连接起来,

上下网段使用相同协议，含有互操作性，所以使用两级防火墙，第二级防火墙

用于屏蔽内部网络非法访问和分配不一样权限正当用户不一样授权。另外还可用

依据日志统计调整过滤和登录策略。

要采取严格权限管理方法，能够依据部门分配权限，也能够依据操作分配权

限。因为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

对关键性工作站操作系统访问加以限制，采取内置设备管理系统必需拥有统计审

查功效，数据库自动统计设备参数修改事件：诧修改，修改理由，修改之前和

以后参数，从而能够有据可查。

(2)在工业以太网应用中能够采取加密方法来预防关键信息窃取。现在关

键存在两种密码体制：对称密码体制和非对称密码体制。对称密码体制中加密解

密双方使用相同密钥且密钥保密，因为在通信之前必需完成密钥分发，该体制中

这一步骤是不安全。所以采取非对称密码体制，因为工业以太网发送多为周期性

短信息，所以采取这种加密方法还是比较快速。对于工业以太网来说是可行。还

要对外部节点接入加以防范。

(3)工业以太网实时性现在关键是由以下几点确保：限制工业以太网通信负

荷，采取1000M快速以太网技术提升带宽，采取交换式以太网技术和全双工通

信方法屏蔽固有CSMA/CD机制。伴随网络开放互连和自动化系统大量IT技术

引入，加上TCP/IP协议本身开放性和层出不穷网络病毒和攻击手段，网络安

全能够成为影响工业以太网实时性一个突出问题。

1.3.4综合自动化网络冗余方法选型

MOXA交换机超级环网仅仅在切换中已传输数据延迟20ms而已，没有数据

丢失问题。

选择单环单节点冗余网络是基于对现场各个控制系统了解及比较决定。因为

要做到比单环单节点冗余网络愈加可靠环网，就要选择双环网结构，所以各矿选

择既经济又可靠单环单节点冗余结构。

此次计划采取单环单节点组网方法，兼顾了可靠性和经济性。

光纤环网冗余结构经过建立一个环状光纤以太网结构来实现网络冗余，降低

网络单点故障，增强整个通信网络在突发情况下生存能力。

1.3.5网络产品选型

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性能、功效要求较高，提议采取现在市场主

流网御星云企业网络设备。

2.综合自动化控制网络产品选择

因为工业环境（如煤矿等行业）特殊性，一般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要求，且不能形成

高速冗余环连接方法，使用寿命也会大大降低。所以

必需采取工业级以太网交换机，

本方案采取台湾MOXA企业工业以太网交换机系

列。

MOXA工业级交换机产品特点：

1、有工业级关键交换机，带宽万兆等级可承上启下，无信息传输瓶颈。

2、能够建立多环，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它设备无法达

成。

摩沙企业工业以太网交换机EDS618A和关键交换机PT7728系统产品均为工

业级以太网设备。它们采取牢靠重负荷设计，其性能指标远远超出通常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要求。

摩沙网络产品还支持多个网络拓扑结构和多重冗余方法，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。全部冗余结构在切换时，

已传输数据延迟小于100ms,不会造成数据丢失问题。

1)网络架构关键设备——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。

中央关键交换机PT7728(2台互为冗余)

PowerTransPT-7728是一款高性能交换机。PT-7728满足变电站自动化系统

(IEC61850-3,IEEE1613)、交通控制系统(NEMATS2)和轨道交通系统

(EN50121-4)需求。PT-7728可组建高性能千兆以太网骨干网络、冗余环网，

它含有24/48VDC或110/22()VDC/VAC冗余电源输入功效，在提升网络通信稳

定性同时还能够节省布线。PT-7728模块化设计为用户提供愈加轻松组网方法，

4个千兆端口和24个以太网口让您在组建网络时愈加灵活。PT-7728还能够选择

前/后出线方法，很适合您多种应用。支持虚拟局域网技术(VLAN):使用虚

拟局域网技术，经过将网络划分为独立子网，能够有效降低网络负荷，提升网络

通讯效率，它含有以下特点：

-支持TurboRing和RSTP/STP(1EEE8O2.1W/D)

-IGMPSnooping和GMRP过滤多播封包

-支持基于端口VLAN、IEEE802.1QVLAN和GVRP协议，轻松实现网

络管理

-经过QoS-IEEE802.1p/lQ和TOS/DiffServ提升决议机制

-采取802.3ad,LACP优化网络带宽

-支持IEEE802.1X和https/SSL,增强网络安全性

-SNMPV1/V2c/V3用于不一样等级网络管理

-采取RMON提升网络监控能力

-ABC-01自动备份配置器

-带宽管理能够阻止不可预料网络状态，端口锁定只许可授权MAC地址

访问

-端口镜像用于在线调试

-异常事件经过E-mail和继电器自动输出报警

-自动恢复连接设备IP地址

-Line-su2P快速恢复

-可经过web浏览器、Telnet/Serialconsole,WindowsUtility和ABC-01配

置

此次设计采取其中4个千兆网络光口，16个百兆网络电口关键交换机，，

网络千兆光口和千兆环网联接，建立主/备冗余；网络百兆电口和服务器之间连

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瓶颈，同时在调度

一

台放置操控站和关键交换机网络千兆电口连接，实现操控站高可二c(•A

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主干交换机EDS-618A一

MOXAEtherDeviceSwitchEDS-618A网管型工业以太网交换机。千兆以太

网冗余协议TurboRing（自愈时间＜20ms）,能够提升您千兆网络骨干可靠性。

EDS-618A以太网交换机支持多个智能化网络管理功效，包含QoS,IGMP

Snooping/GMRP,VLAN,PortTrunking,SNMPV1/V2c/V3,IEEE802.IX和

Https/SSL等功效。它含有以下特点:

・2个千兆端口+16个快速以太网端口

-TurboRing,TurboChain,RSTP/STP用于以太网冗余IEEE1588PTP,

Modbus/TCP,LLDP,SNMPInform,QoS,IGMPsnooping,VLAN,

IEEE802.1X,HTTPS,SNMPv3和支持SSH

-ABC-01（自动备份配置器）更易于置换故障设备

-IPv6Ready认证（IPv6标志委员会认证）

-IEEE1588PTP（精密时间协议），用于和网络同时正确时间

-DHCPOpition82,用于以不一样策略分配IP地址

-支持工业以太网协议Modbus/TCP

-TurboRing及TurboChain（全载时自愈时间＜20毫秒）和RSTP/STP

（IEEE802.1w/D）

-IGMPSnooping及GMRP,用来过滤工业以太网协议中多播流量

-基于端口VLAN,IEEE802.IQVLANGVRP,轻松实现网络计划

-支持QQS-IEEE802.Ip/1Q和TQS/DiffServ,增加网络确定性

-支持端口聚合，优化网络带宽

■支持SNMPv3,IEEE802.1X,HTTPS和SSH增加网络安全性

-支持SNMPvl/v2/v3不相同级网络管理协议

煤矿防爆兼本安环网交换机基础要求

A含有防爆或本安认证

＞单台交换机含有本安RS485或RS232接匕，方便井下总线子系统接入

＞含有10个以上出线嘴

（2）、KJJ58型矿用本安型以太环网交换机参数：

网络系统中采取千兆MOXA工业交换机节点设备均为专为工业环境设计工

业交换设备，能够适应高温、高湿、尘埃和震动环境，满足在煤矿环境防爆及安

全要求。符合GB50054—92《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》o

考虑到现场恶劣条件，为降低因电源故障而产生网络中止等事故发生几率；

提升网络可用性，井下环网交换机内部均配置了专用不间断电源。

交换机工作电压：127V/220V/380V/660V

以太网光信号接口

a、接口数量：4个；

b、传输方法：全双工TCP/IP传输协议，波长为131（）nm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：＜-20dBm;

｛使用MGTSV-（2、4、6、8、10、12）A型光缆｝八

以太网电信号接口性能（本安接口）

a、接口数量：6个；

b、传输方法：全双工TCP/IP传输协议；

c、传输速率：10/100Mbps自适应；

d、信号工作电压峰峰值：IV〜5V;

c、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：＜0.06|iF/I＜m；分布电感：＜0.8mH/Km;直流电阻：＜12.8Q/Km）;

RS485信号接口（本安接口）

、接口数量：4个

b、传输方法：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：＜10V;

e、信号工作电流峰值：495mA;

f、到分站设备之间最大传输距离：20km;

服务器、工作站等设备连接

在中央调度室或机房各个服务器、工作站等设备可经过快速以太网卡直接和

中央监调度室室关键交换机端口相连，提供10/100M/1000M端口速率。

现场各个PLC或其它设备则直接经过双绞线和现场就近交换机对应端口相

连，提供10/100M端口速率。

1.4交换机部署方案介绍

1.4.1网络配置

1、环网部分：

依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。

自动化控制环网根据网络节点和网络应用不一样，分为中央网络和接入工业

以太网环网两部分。

中央网络关键设备和同机房环网接入设备互连，确保不一样环网之间数据传

输。

主环网全部采取当今技术领先千兆工业以太网技术。

中央网络设置于中心机房，用于提供接入环网上联，和大量服务器接入。同

时，中央网络经过安全方法和信息管理网互联。

中央网络设置两台PT7728作为整个网络汇聚关键交换机，经过光缆和主干

交换机之间进行传输。

井下部分

各交换机及设计部署点以下:

序号谀计部署点交换机数量备注

1调度机房关键交换机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采区变电所节点交换机1井下

2、环网交换机

因为工业环境（如煤矿等行业）特殊性，一般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要求，且不能形成

高速冗余环连接方法，使用寿命也会大大降低。所以本方案采取可靠工业级以太

网交换机。

全部交换机全部采取光纤端口组环，一个连接上级交换机，一个用于连接下

级交换机，组成一个完整光纤环路。当其中某一段工作中光纤线路被破坏或对应

网络设备发生故障时，整个网络会自愈，并在500ms内恢复正常通讯，这么就组

成二级冗余。

假如环网中某个交换设备或链路发生故障，环网传输路径将选择反方向传

输，确保主传输通道信号不间断；传输路径倒换时间设计小于500ms。

1.4.2网络管理

本方案采取MOXA企业MAXVIEW网络管理软件对整个网络全部网络设备

进行统一管理。

网络管理是计算机网络系统可靠、安全、高效运行保障。ISO为网络管理实

现制订了对应标准，使网络管理系统能够相互兼容和互连。

网管是对整个管理信息网进行计划、配置工具，它能够实现对全部支持

SNMP协议网络设备进行管理、配置，在更改设备配置时只要在网管工作站对相

关设备进行适宜配置，经过网管工作站对网络设备进行日常管理、流量统计、故

障分析等。

设备控制网中全部光纤环网交换机均支持Web管理。在网管工作站上使设

备用浏览器，经过光纤环网交换机管理IP地址即可在图形化界面上实现对交换

机管理、配置和状态观察。

工业以太环网明细表

序单数单价

号项目型号和规格厂家金额

位量（元）

PT-7728-R-HV（4个千兆光

关键交换

1U,四个千兆电口，16个台2M0XA52,000104000

机

百兆电口

P4/双核

2工程师站3.0GHz/2G/500G/DVD/100M台1国产20,0003