針對礦場安防系統傳統的點對點傳輸解決方案的固有缺陷，在礦場周界監控系統中，本文采用基于集散控制系統概念的工業以太網環網系統。該系統具有高度的分散性、實時性、可靠性、開放性和可操作性，同時也可以做到數據、語音和視頻“三網合一”。它采用統一的TCP/IP協議，避免了不同協議間難以通訊的困擾;可以直接和局域網的計算機互連，可以通過網絡訪問終端數據;采用光纜，減少了布線難度;選用工業級的以太網設備組網，增強了對環境的適應性。

　　周界系統光纖自愈以太網環網新方案

　　1、光纖工業以太網

　　以太網(Ethernet)以前主要應用于辦公自動化,是在 20 世紀 70 年代研制開發的一種基帶局域網技術，使用同軸電纜作為網絡媒體。目前通用的以太網標準IEEE802.3使用了CSMA/CD傳輸協議。任何需要傳輸數據的節點首先要監聽網絡，網絡空閑時發送數據，發送數據時繼續監聽，檢測到沖突時立即停止發送并發出一個強化沖突的干擾信號，通知所有節點網絡已經發生沖突，此時沖突各方主動退避,隨機等待一段時間后再重新監聽網絡。

　　交換式以太網是根據提高以太網的傳輸速率，盡可能減少總線競爭的思想開發出的新型以太網。所有節點都分別連接到一個交換式集線器的端口上，交換式集線器內置一個復雜的交換陣列，任意兩個端口都可以建立一個傳輸通道，以標稱傳輸速度、傳輸數據。

　　隨著以太網通信速率的提高、全雙工通信、交換技術的發展，為以太網直接應用于工業現場設備間通信提供了技術可能。所謂工業以太網，一般來講是指技術上與商用以太網(即IEEE802.3標準)兼容，但在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等方面能滿足工業現場的需要。在產品設計時，首先考慮的是高溫、潮濕、震動;其次看是否能方便地安裝在工業現場控制柜內;再次是使用低壓交流或直流電源。EMC的要求隨工業環境對EMI和ESD要求的不同而變化。

　　目前工業以太網的應用已取得下述成果：

　　(1) 針對工業現場設備間通信具有實時性強、數據信息短、周期性較強等特點和要求，基本解決了以太網應用于現場設備間通信的關鍵技術。

　　① 實時通信技術采用以太網交換技術、全雙工通信、流量控制等技術，以及確定性數據通信調度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現場設備層網絡微網段化等針對工業過程控制的通信實時性措施，解決了以太網通信的實時性。可以實現雙冗余環網的組網。

　　②采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術，設計了能實現網絡供電或總線供電的以太網集線器，解決了以太網總線的供電問題。

　　③采用網絡分層、控制區域微網段化、網絡超小時滯中繼以及光纖傳輸技術解決以太網的遠距離傳輸問題。

　　④ 采用控制區域微網段化，各控制區域通過具有網絡隔離和安全過濾的現場控制器與系統主干相連，實現各控制區域與其他區域之間的邏輯上的網絡隔離。

　　⑤采用分散結構化設計、EMC設計、冗余、自診斷等可靠性設計技術。

　　(2) 起草了“用于工業測量與控制系統的EPA系統結構和通信標準”(草案)。

　　(3)針對工業現場控制應用的特點，通過采用軟、硬件抗干擾、EMC設計措施，已開發出了基于以太網技術的傳輸和控制設備。

　　2、集散控制系統

　　集散控制系統(DCS)是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，其基本思想是集中操作、分散控制、分級管理、配置靈活、組態方便。DCS具有以下特點：高可靠性、開放性、靈活性、易于維護、協調性和控制功能齊全及可以實現更高級的集中管理功能。

　　目前在國內，工業以太網已經成功應用于很多集散控制系統的工業現場。有以上技術作依托，光纖以太網環網應用于礦場周界系統的傳輸中成為可能。

　　新方案系統組成

　　1、 網絡結構

▲圖1：光纖以太網環網傳輸拓撲圖

　　下面以某礦場安防系統作一介紹。該礦場安防系統全長為11.5公里，有 460個不等距離分布的節點(攝像機)，連接到控制中心共計80臺MIE-5310交換機形成5個冗余千兆光纖環網(單模光纖)，這樣有利于均衡負載有效使用網絡帶寬，5個環網通過5條單模光纖與控制中心的MIER-3824千兆核心交換機上聯，MIER-3824使用1000M網口與存儲服務器連接，前端每個節點連接6路網絡視頻和8路RS485控制信號(通過一臺ME-C1088串口服務器接入)。然后將所有的視頻數據存儲于中心四臺存儲服務器。

　　如果在系統工作時連接介質發生故障，環形結構將在小于300ms時間內切換網絡工作拓撲結構。從而保證了系統的可靠性。而且在同樣的冗余度下，冗余環網結構不僅減少了風險，更降低了實現成本。

　　2、網絡設備

　　(1)前端設備

　　MIE-5310交換機具有2個冗余的1000Mbit/s光口，利用冗余光纖接口，可以組成光纖自愈環網,系統在重新組態時冗余倒換時間小于300ms，另可提供1個1000M上聯口與核心交換機上聯，7個普通的10/100Base-T的雙絞線端口。6路視頻信號通過網絡攝像機接到MIE-5310的6個100M網口上。由于具有自適應功能，每個端口能自動的設置到10BASE-TX或100BASE-TX狀態及全雙工或半雙工的運行模式。提供24V電源冗余，增強了網絡及系統的可靠性。

　　ME-C1088串口服務器可提供8個RS485接口，用于控制攝像機的云臺和防塵刷，占用MIE-5310的1個10/100M網絡接口。

　　前端的每一個環網均使用1000M鏈路與中心上聯，每個上聯口帶寬約為600Mbps。

　　示意圖如下：

　　(2)核心交換機-存儲服務器

　　中心使用兩臺MIER-3824核心三層千兆交換機，用于匯集5個環網的視頻，四臺存儲服務器與核心交換機使用1000M端口連接。每存儲服務器匯集115個節點的視頻信號，在每個節點速率在6Mbps時，每臺存儲服務器負載的數據流量約為700Mbps。MIER-3824的背板帶寬為64Gbps，可保證正常通信。

　　新方案系統功能

　　(1)每個節點提供6個100M以太網口，用于傳輸6路視頻。

　　(2)每個節點通過ME-C1088提供8個RS485數據口用于控制云臺及除塵設備，每個RS485口負責一個攝像機。

　　(3)中心端兩臺千兆核心交換機背板帶寬為64Gbps，每個端口均可提供1000Mbps的通信速率，負責所有攝像機視頻的安全傳輸。

　　(4)四臺存儲服務器每臺負責存儲115臺攝像機的視頻，并將460臺攝像機分為5個光纖環網來傳輸，達到均衡負載的目的。

　　(5)管理人員可以在中心端實時監控單個攝像頭的監視情況。

　　冗余環網工作原理

　　工業冗余環網可以在惡劣環境下，實現數據傳輸的穩定性、可靠性和實時性。

　　(1)物理連接上成環型。

　　(2)工作時整個網絡成鏈狀結構，有一段不傳輸數據，只傳輸環上設備各自的狀態。環上的每一個設備都知道并隨時向其他設備報告自己的狀態。一旦有一段網絡發生故障，臨近的交換機會馬上通知其他交換機，以極短的時間將這一信息傳遍全網。作為“根”的交換機就會實行切換，就是原來沒有數據通過的那段鏈路馬上進行數據傳輸。整個切換時間為300毫秒。整個網絡還是呈鏈狀工作狀態，實現冗余。當損壞的網絡修復后，網絡恢復到初始工作狀態。

　　(3)一條光纖鏈路發生故障時網絡重構方案如圖2所示，當主環光纖鏈路出現故障時，副環自動啟動，接替主環的工作使通信系統正常運行。故障修復后系統自動恢復。

　　(4)兩條光纖鏈路同時發生故障如圖3所示，此時RTU 1及RTU 2 兩處的光端機會自動將光纖鏈路環回，形成兩個獨立的環形網，從而實現鏈路的自愈，使系統保持正常的運行。待故障解除后光端機會自動恢復到原來的工作方式。

　　本系統優勢分析

　　本周界系統的傳輸平臺方案是基于二層交換和三層路由的方案，其優勢十分明顯。一是巨大的網絡基礎和長期的經驗知識，以及目前所有流行的操作系統和應用也都與之兼容;二因以太網是標準技術，具有廣泛的軟硬件支持，性能價格比好，初始成本和運營成本均較低。另外，以太網的擴展性好，且可靠性較高。以太網是與媒體無關的承載技術，可以透明地與銅線對、電纜和各種光纖等不同傳輸媒體接口，避免了重新布線的成本。因此，非常適用于礦場周界系統的傳輸，方便礦場周界建設的組網要求。

　　從結構上看，以太網周界系統以端到端解決方案面目出現，消去了其他解決方案所必不可少的網絡邊界處的格式變換。從管理上看，由于同樣的系統可以應用在網絡的各個層面上，網絡管理可以大大簡化。因此，滿足了礦場周界系統不斷建設和不斷引進新技術和新設備的要求。

　　本周界系統的傳輸平臺還有以下技術優勢：

　　(1)冗余切換技術

　　冗余技術能在50ms內檢測到網絡中所有設備的狀態，并通知到所有網員，保證網絡在300MS內完成網絡重構。

　　(2)雙纖雙網冗余技術

　　采用冗余切換的技術的設備，可以完成雙纖冗余網絡、雙纖雙網冗余。所有節點互為備份的工業交換機可以采用特定的接口進行互連。形成多網孔的結構，以保證網絡上所有節點在任何狀態下具有安全完整的路由。

　　(3)雙主站備份功能

　　系統可以配置為局端、遠端和備份局端。當網絡出現故障導致局端失效，備份局端在0.2秒之內自動升為局端，保證網絡的正常運行;一旦網絡故障排除，原來的局端恢復正常工作，備份局端站會返回備份局端的狀態。

　　結束語

　　本文以工業以太網技術為基礎，較為詳細的敘述了光纖工業以太網環網技術在礦場周界集散控制系統中的應用，論述了系統的工作原理和關鍵技術。本文對礦場周界系統的傳輸平臺建設有一定的實用價值。