2022年2022年工业以太网交换技术在煤矿中的应用 .pdf

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1、工业以太网交换技术在煤矿中的应用钱建生1，赵培培1，李鹏1，李世银1，张梅锁2（1. 中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008 ；2. 蔚州矿业有限责任公司信息科，河北蔚县075700）摘要：通过对串口通信、现场总线通信局限性的分析，讨论了工业以太网交换技术引入工矿系统的可行性和必然性，并结合自主研发的工业以太网交换机详细介绍工业以太网交换技术在煤矿领域中的应用。关键词：工业以太网；交换技术；煤矿中图分类号： TP393.11 文献标识码： A 文章编号： 0253 - 2336（2005）07 - 0011 - 04Applicationof industrialethernat

2、 switch technology in coal mineQIAN Jian-sheng1，ZHAO Pei-pei1，LI Peng1，LI Shi-yin1，ZHANG Mei-suo2（1. School of Information and Electric Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China；2.Information Office，YuzhouCoal Mining Company Ltd. ，Yuxian 075700，China）Abstract ：With th

3、e limitation analysis of serial communicationand site bus line communication， the paper discussedthe feasibility andin-evitability for the industrial Ethernet switch technologyto be introduced to mine industry. With the industrial Ethernet switch technologyself developed ，the paper fully introduced

4、the industrial Ethernet switch technologyapplied to coal mine.Key words：industrial Ethernet；switch technology ；coal mine基金 项 目： 科 技 部 科 技 型 中 小 企 业 技 术 创 新 基 金 资 助 项 目（02C26213200056 ） ；中国矿业大学青年科研基金（OC4462）1 概述计算机网络技术的飞速发展带来了工业控制系统技术水平的快速提高。煤矿信息化中需要传输的数据已不满足几个字节甚至是Web 网页，如今已经提高到视频实时传输的要求。因此，网络传输的高速性

5、、可靠性在工业控制中越来越重要。随着以太网在局域网和Internet 上取得成功，工业以太网技术取代分散控制系统（DCS）中通信网络的各种传统技术，将成为一种必然的趋势。1. 1 引入工业以太网的必然性分析目前国内外的工控自动化系统中，智能电子设备间的通信连接多以串口连接为主，在站控层有的采用以太网通信连接，在间隔层有的采用现场总线如 Profibus 、Lonworks、CAN 等连接。（1）采用串口通信为主的厂站自动化系统，由于串行通信本身的限制，具有以下几点局限性： 通信速率较低，实际应用最多为19 200 b/s；站控主单元为系统的核心，对其软、硬件的要求很高。一旦出现问题，除间隔单元

6、还能正常运行外，站控级的运转将处于不正常状态； 采用RS -485 方式时，通信方式只能采用循环问答式，通信效率相对较低；采用RS - 232 方式时，通信距离太短，不能大于15 m； 采用电缆连接时，各串口线不支持带电插拔； 各间隔级单元间无法实现直接数据交换。（2）对于采用现场总线的厂矿自动化系统，也有以下缺点： 协议数目众多，不同协议之间存在兼容问题； 通信协议比较简单，通信速率较低。工业以太网引入工矿自动化系统已成为一种趋势。但是，以太网采用冲突检测载波监听多点访问（ CSMA/CD） 机制解决通信介质层竞争问题，造成了以太网通信响应的不确定性，也是长期以来将其应用到工业现场设备中的主

7、要障碍 1。1. 2 工业以太网在煤矿应用的实时性要求煤矿井下数字通信信源分3 大类：数据、图像、语音。各种信息流向是不均匀的，大量的信息是上行信息，而下行信息相对较少。对于文件传输，500 ms 已称得上实时了；而对于视频数据包传输，实时要求变成了100 ms；至于“IP 语音服务”，实时的要求是20 ms。如果使用者要求同步工作，那么要求则更严格。这种场合下，TCP/IP以及以太网在实时性方面很快就达到了极限2。11第33卷第7 期煤 炭 科 学 技 术2005年7月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整

8、理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 实时性通常要求确定性的行为，即可以计算数据安全传输的时间帧。在这一方面，CSMA/CD 访问方式呈现出以太网的一个基本问题。网络上的各工作站对总线“监听” 以确认总线是否空闲，如果空闲，就开始发送数据；如果两个工作站同时发送数据，冲突就产生了。访问机制首先停止传输数据，而后根据预定义的随机选择算法，工作站再次尝试发送数据，过程一直重复直至冲突消失。上述机制保证了数据的安全发送，可是从确定性行为的角度看来，这是一个很大的障碍。目前有多种不同的方案可用来处理这些以太网和 TCP/IP 的问题，其中在冲突域利

9、用交换技术进行网络分段是最简捷的方法，它大量避免冲突的发生。每个网络站点通过交换机连入网络，这种方式有些类似于一组点对点连接，进入交换设备的数据包在分析后直接发送给目标站点。这一方案比单纯集线器方式的反应速度更快，抖动也更小 3。因此，在工业以太网引入交换技术可以快捷地解决网络实时性问题，每个以太网设备都能独享较高带宽，避免了以太网通信响应的不确定性，解决了工业以太网应用到工矿现场的主要障碍。2 KJJ23 隔爆兼本安型网络交换机的关键技术KJJ23 矿用隔爆兼本安型网络交换机是工业以太网交换技术在煤矿井下应用的一个典型设备，是科技部科技型中小企业技术创新基金项目“矿井多媒体综合业务数字网”的

10、一个子课题。结合煤矿井下通信的特殊性，该网络交换机能够达到国家的煤安标准，较一般的交换机具有功耗低、可靠性高等特点。2. 1 矿用隔爆兼本安型网络交换机基本工作原理交换机采用Samsung公司的 S3C4510B 作为整个系统的主控芯片，采用Kendin 公司的 KS8999 作为交换芯片。这2 种芯片都广泛应用于网络产品中。其中主控芯片S3C4510B 采用了目前比较先进的 ARM 内核，具有指令系统简单、处理速度快、功耗低等优势，还带有ICE，可以对Flash 进行操作，有益于系统的开发调试；KS8999 提供 8 个端口和一个标准的MII 界面，完成第2 层交换。交换机通过运行在S3C4

11、510B 上的嵌入式实时操作系统控制KS8999 和其它外围芯片，完成路由功能， 核 心 的 路 由 协 议 为 RIP 或 RSVP。 基 于KS8999 的端口特性可以利用软件来实现端口识别和流量控制，完成路由和交换功能。除具有普通配置端口外，系统还具有远程配置和管理功能，实现简单的网络管理和控制功能，并支持基于Web 的浏览器监测和管理。另外，电磁干扰对系统的稳定性起着很重要的作用。实际的开发和设计中，减少电磁干扰主要通过合理的布线、解耦合、电源线和地线的合理分布、屏蔽、过滤来减少。如数据线原理时钟信号、高速率的信号远离RJ - 45 线架和变压器，这样有效地减少了干扰，提高了系统的整体

12、水平。2. 2 交换板的设计交换板主要用于完成端口之间交换以太网帧的功能。在该系统中交换板不仅可以作为一个独立的产品使用，而且可以和CPU 控制板连接作为小型路由器或网关使用。交换板和CPU 板的连接主要是通过 MII 介面。交换板硬件结构如图1 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - H1164 芯片进行变压调整，最后连到标准的RJ45接口。2. 3 控制板的设计CPU 主 控 模 块 主 要 包 括CPU， 存

13、 储 器，RS233，RS485 串行通信口，通过A /D 总线扩展的网络 通 信 口，一 个 HDLC （ high - level data linkcontrollers） 通 道、 MII接 口 等。 主 控 芯 片 为S3C4510B。系统框图如图2 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 产综合控制系统后将会引发革命性的进步 4。典型应用如图3 所示。.作者简介：钱建生（1964 - ） ，男，浙江桐乡人，教授，博士生导师，现任中国矿业大学信息于电气工程学院副院长，主要从事煤矿通信与监控、多媒体图象技术等方向的研究工作。Tel：0516- 3885453，E - mail：QianJshcumt. edu. cn收稿日期： 2005 - 03 - 22；责任编辑：王宗禹41第 33卷第7 期煤 炭 科 学 技 术2005年7月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -