矿场安防系统光纤自愈以太网方案———矿场安防系统光纤自愈以太

［编辑简介］：本文以工业以太网技术为基础，叙述了光纤工业以太网环网技术在矿场周界集散控制系统中的应用，论述了系统的工作原理和关键技术。［摘要］： 矿场安防系统传统技术比较成熟，主要包括电视监控系统。前端点距中央控制室较近的一般采用电缆传输，当距离超过500M时，一般采用点对点的基带非压缩的视频、数据、音频光端机，将前端的视频、报警、音频信号传输至监控中心，同时将监控中心对摄像机云台、镜头的控制信号传至前端。［关键词］：矿场安防系统 光纤自愈以太网 集散控制系统　　　
  矿场安防系统传统技术比较成熟，主要包括电视监控系统。前端点距中央控制室较近的一般采用电缆传输，当距离超过500M时，一般采用点对点的基带非压缩的视频、数据、音频光端机，将前端的视频、报警、音频信号传输至监控中心，同时将监控中心对摄像机云台、镜头的控制信号传至前端。
一、周界系统光纤自愈以太网环网新方案
　　针对矿场安防系统传统的点对点传输解决方案的固有缺陷，在矿场周界监控系统中，本文采用基于集散控制系统概念的工业以太网环网系统。该系统具有高度的分散性、实时性、可靠性、开放性和可操作性，同时也可以做到数据、语音和视频“三网合一”。它采用统一的TCP/IP协议，避免了不同协议间难以通讯的困扰；可以直接和局域网的计算机互连，可以通过网络访问终端数据；采用光缆，减少了布线难度；选用工业级的以太网设备组网，增强了对环境的适应性。
1、光纤工业以太网
　　以太网（Ethernet）以前主要应用于办公自动化,是在 20 世纪 70 年代研制开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体。目前通用的以太网标准IEEE802.3使用了CSMA/CD传输协议。任何需要传输数据的节点首先要监听网络，网络空闲时发送数据，发送数据时继续监听，检测到冲突时立即停止发送并发出一个强化冲突的干扰信号，通知所有节点网络已经发生冲突，此时冲突各方主动退避,随机等待一段时间后再重新监听网络。
　　交换式以太网是根据提高以太网的传输速率，尽可能减少总线竞争的思想开发出的新型以太网。所有节点都分别连接到一个交换式集线器的端口上，交换式集线器内置一个复杂的交换阵列，任意两个端口都可以建立一个传输通道，以标称传输速度、传输数据。
　　随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展，为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。在产品设计时，首先考虑的是高温、潮湿、震动；其次看是否能方便地安装在工业现场控制柜内；再次是使用低压交流或直流电源。EMC的要求随工业环境对EMI和ESD要求的不同而变化。
　　目前工业以太网的应用已取得下述成果：
(1) 针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求，基本解决了以太网应用于现场设备间通信的关键技术。
① 实时通信技术采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。可以实现双冗余环网的组网。
②采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。
③采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤传输技术解决以太网的远距离传输问题。
④ 采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。
⑤采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术。
(3)针对工业现场控制应用的特点，通过采用软、硬件抗干扰、EMC设计措施，已开发出了基于以太网技术的传输和控制设备。
2、集散控制系统
　　集散控制系统(DCS)是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，其基本思想是集中操作、分散控制、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS具有以下特点：高可靠性、开放性、灵活性、易于维护、协调性和控制功能齐全及可以实现更高级的集中管理功能。
　　目前在国内，工业以太网已经成功应用于很多集散控制系统的工业现场。有以上技术作依托，光纤以太网环网应用于矿场周界系统的传输中成为可能。
二、新方案系统组成
       1、 网络结构
  
图1：光纤以太网环网传输拓扑图
　　下面以某矿场安防系统作一介绍。该矿场安防系统全长为11.5公里，有 460个不等距离分布的节点（摄像机），连接到控制中心共计80台MIE-5310交换机形成5个冗余千兆光纤环网（单模光纤），这样有利于均衡负载有效使用网络带宽，5个环网通过5条单模光纤与控制中心的MIER-3824千兆核心交换机上联，MIER-3824使用1000M网口与存储服务器连接，前端每个节点连接6路网络视频和8路RS485控制信号（通过一台ME-C1088串口服务器接入）。然后将所有的视频数据存储于中心四台存储服务器。
　　如果在系统工作时连接介质发生故障，环形结构将在小于300ms时间内切换网络工作拓扑结构。从而保证了系统的可靠性。而且在同样的冗余度下，冗余环网结构不仅减少了风险，更降低了实现成本。
2、网络设备
（1）前端设备
　　MIE-5310交换机具有2个冗余的1000Mbit/s光口，利用冗余光纤接口，可以组成光纤自愈环网,系统在重新组态时冗余倒换时间小于300ms，另可提供1个1000M上联口与核心交换机上联，7个普通的10/100Base-T的双绞线端口。6路视频信号通过网络摄像机接到MIE-5310的6个100M网口上。由于具有自适应功能，每个端口能自动的设置到10BASE-TX或100BASE-TX状态及全双工或半双工的运行模式。提供24V电源冗余，增强了网络及系统的可靠性。
　　ME-C1088串口服务器可提供8个RS485接口，用于控制摄像机的云台和防尘刷，占用MIE-5310的1个10/100M网络接口。
前端的每一个环网均使用1000M链路与中心上联，每个上联口带宽约为600Mbps。
示意图如下：
  
（2）核心交换机－存储服务器
　　中心使用两台MIER-3824核心三层千兆交换机，用于汇集5个环网的视频，四台存储服务器与核心交换机使用1000M端口连接。每存储服务器汇集115个节点的视频信号，在每个节点速率在6Mbps时，每台存储服务器负载的数据流量约为700Mbps。MIER-3824的背板带宽为64Gbps，可保证正常通信。
五、新方案系统功能：
（1）每个节点提供6个100M以太网口，用于传输6路视频。
（2）每个节点通过ME-C1088提供8个RS485数据口用于控制云台及除尘设备，每个RS485口负责一个摄像机。
（3）中心端两台千兆核心交换机背板带宽为64Gbps，每个端口均可提供1000Mbps的通信速率，负责所有摄像机视频的安全传输。
（4）四台存储服务器每台负责存储115台摄像机的视频，并将460台摄像机分为5个光纤环网来传输，达到均衡负载的目的。
（5）管理人员可以在中心端实时监控单个摄像头的监视情况。
六、冗余环网工作原理
　　工业冗余环网可以在恶劣环境下，实现数据传输的稳定性、可靠性和实时性。
（1）物理连接上成环型。
（2）工作时整个网络成链状结构，有一段不传输数据，只传输环上设备各自的状态。环上的每一个设备都知道并随时向其他设备报告自己的状态。一旦有一段网络发生故障，临近的交换机会马上通知其他交换机，以极短的时间将这一信息传遍全网。作为“根”的交换机就会实行切换，就是原来没有数据通过的那段链路马上进行数据传输。整个切换时间为300毫秒。整个网络还是呈链状工作状态，实现冗余。当损坏的网络修复后，网络恢复到初始工作状态。（3）一条光纤链路发生故障时网络重构方案如图2所示，当主环光纤链路出现故障时，副环自动启动，接替主环的工作使通信系统正常运行。故障修复后系统自动恢复。
  
（4）两条光纤链路同时发生故障如图3所示，此时RTU 1及RTU 2 两处的光端机会自动将光纤链路环回，形成两个独立的环形网，从而实现链路的自愈，使系统保持正常的运行。待故障解除后光端机会自动恢复到原来的工作方式。
  
七、 本系统优势分析
　　本周界系统的传输平台方案是基于二层交换和三层路由的方案，其优势十分明显。一是巨大的网络基础和长期的经验知识，以及目前所有流行的操作系统和应用也都与之兼容；二因以太网是标准技术，具有广泛的软硬件支持，性能价格比好，初始成本和运营成本均较低。另外，以太网的扩展性好，且可靠性较高。以太网是与媒体无关的承载技术，可以透明地与铜线对、电缆和各种光纤等不同传输媒体接口，避免了重新布线的成本。因此，非常适用于矿场周界系统的传输，方便矿场周界建设的组网要求。
从结构上看，以太网周界系统以端到端解决方案面目出现，消去了其他解决方案所必不可少的网络边界处的格式变换。从管理上看，由于同样的系统可以应用在网络的各个层面上，网络管理可以大大简化。因此，满足了矿场周界系统不断建设和不断引进新技术和新设备的要求。
本周界系统的传输平台还有以下技术优势：
（1）冗余切换技术
冗余技术能在50ms内检测到网络中所有设备的状态，并通知到所有网员，保证网络在300MS内完成网络重构。
（2）双纤双网冗余技术
采用冗余切换的技术的设备，可以完成双纤冗余网络、双纤双网冗余。所有节点互为备份的工业交换机可以采用特定的接口进行互连。形成多网孔的结构，以保证网络上所有节点在任何状态下具有安全完整的路由。
（3）双主站备份功能
　　系统可以配置为局端、远端和备份局端。当网络出现故障导致局端失效，备份局端在0.2秒之内自动升为局端，保证网络的正常运行；一旦网络故障排除，原来的局端恢复正常工作，备份局端站会返回备份局端的状态。
八、结束语
　　本文以工业以太网技术为基础，较为详细的叙述了光纤工业以太网环网技术在矿场周界集散控制系统中的应用，论述了系统的工作原理和关键技术。