工业以太网的控制系统及其应用层协议的设计
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工业以太网通信协议研究及应用摘要:在绝大多数工业控制通信方面都是采用现场总线技术方式来实现的。
但长期以来现场总线种类繁多、同时又没有统一标准而导致互不兼容,使得系统集成和信息集成面临着巨大挑战,所以引入了应用广泛、高速率、低成本的以太网技术。
但以太网的可靠性和实时性比较差,难以适应工业控制的要求,故相关组织对以太网进行了一些扩展,称为工业以太网。
随着工业4.0的发展,相信工业以太网技术将越来越重要。
本文就常见工业以太网通信协议简介及应用作出阐述。
关键词:现场总线技术、工业以太网、EtherCat、Ethernet/IP、ProfiNet、Modbus/TCP、Ethernet/PowerLink、MechatroLink1常见工业以太网通信协议1.1、Modbus/TCPModbus/TCP是用于控制和管理自动化设备的Modbus系列通讯协议的派生产品。
由此可见,它覆盖了使用TCP/IP协议的Intranet企业内部网和Internet互联网环境中Modbus报文的用途。
该协议的最常见用途是为例如I/O、PLC模块以及连接其它简单域总线或I/O模块的网关服务的。
Modbus/TCP协议是作为一种实际的自动化标准发行的。
既然Modbus已经广为人知,该规范只将别处没有收录的少量信息列入其中。
然而该规范力图阐明Modbus中哪种功能对于普通自动化设备的互用性有价值,哪些部分是Modbus作为可编程的协议交替用于PLC的多余部分。
Modbus/TCP 在美国比较流行,它由两部分组成,即IDA分散式控制系统的结构与Modbus/TCP 的信息结构的结合。
Modbus/TCP定义了一个简单的开放式又广泛应用的传输协议网络用于主从通讯方式。
1.2.、Ethernet/IPEthernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议,这里的IP表示Industrial-Protocal。
它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上,利用固定的以太网硬件和软件,为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。
设计题目:基于工业以太网的控制系统设计与实现
1.设计任务:
本设计的主要任务是利用工业控制网络实验室的设备,设计并实现基于工业以太网的控制系统。
此系统的基本模式为对等模式,每一站点可以选择该实验设备的任一模块作为受控模块,站点个数为3个(含3个)以上一样。
采用计算机作为主站,通过在计算机上发出指令,使从机上的模块可以真确运行。
2.设计要求:
(1)从站采用配备S7-200系列的PLC,被控端采用实验设备所提供的模块。
可选模块包括液位控制系统,交通灯控制系统,变频调速系统,立体仓库系统,电梯运行系统,工业机械手等模块。
(2)主站采用安装有WINCC系统的PC机。
(3)要求参照模块使用说明,编写PLC的控制程序。
(4)调试工业以太网网络使之正常运行。
(5)使用WINCC编写上位机控制程序,要求多个控制程序可以相互切换,要求控制程序能正确运行。
(6)设计报告书需参照《徐州工程学院毕业论文(设计)》模板规定的格式撰写。
要求内容翔实连贯,数据准确可靠,突出技术细节。
3. 设计计划安排:
4.参考资料
[1] 工业自动化网络实验指导书
[2] 现场总线及工业控制网络技术
[3] WINCC组态软件教程
[4] 电气控制与PLC教程
[5] 电机与拖动教程
[6]《自动控制原理》教材
[7] 自行查找的资料。
profinet协议体系结构
Profinet是一种用于工业自动化领域的通信协议,它基于以太网技术,提供了实时性和高性能的特性。
Profinet协议体系结构可以分为三个主要层级,应用层、传输层和数据链路层。
在应用层,Profinet协议使用了标准的TCP/IP协议栈,这使得它能够与现有的以太网网络兼容,并且能够利用现有的网络基础设施。
在这一层级,Profinet定义了用于工业自动化控制和数据交换的应用协议,包括实时数据交换、配置和诊断。
传输层是Profinet协议的核心,它负责实现实时通信和数据交换。
在这一层级,Profinet使用了基于以太网的实时通信协议(RT-ETH)来实现对实时数据的传输。
RT-ETH允许周期性和非周期性数据的实时传输,同时保证了通信的可靠性和实时性。
数据链路层是Profinet协议的最底层,它定义了数据帧的格式和传输方式。
Profinet使用以太网作为物理传输介质,并在数据链路层上实现了IEEE 802.3标准。
此外,Profinet还引入了一些工业以太网的特性,如同步和实时性能的增强,以满足工业自动化领域对实时通信的需求。
总的来说,Profinet协议体系结构充分考虑了工业自动化领域对实时性、可靠性和高性能通信的需求,通过在应用层、传输层和数据链路层的设计上进行综合考虑,实现了在以太网上进行工业自动化控制和数据交换的要求。
这种体系结构的设计使得Profinet成为了工业自动化领域中一种被广泛采用的通信协议。
ethercat电路原理EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一种基于以太网的工业以太网技术,用于实现实时性要求高的工业控制应用。
它的电路原理涉及到以太网物理层、数据链路层和应用层的设计。
在EtherCAT 电路中,主要包括以下几个部分:1. 物理层:EtherCAT 采用了标准的以太网物理层,支持100BASE-TX 和1000BASE-T 以太网标准。
物理层负责将数据在以太网链路上进行传输。
2. 数据链路层:EtherCAT 在数据链路层使用了一种特殊的协议,称为EtherCAT 协议。
该协议采用了主从结构,主站负责发送数据帧,从站负责接收和处理数据。
EtherCAT 协议通过以太网数据帧的扩展字段来传输实时数据和控制信息。
3. 应用层:EtherCAT 应用层包括设备描述文件(Device Description File,DDF)和过程数据对象(Process Data Object,PDO)。
DDF 用于描述从站设备的特性和功能,PDO 用于传输实时的过程数据。
EtherCAT 电路的工作原理是:主站发送数据帧到从站,从站接收数据并根据DDF 进行解析和处理。
如果数据帧中包含PDO 数据,从站将实时数据传输给主站。
主站可以通过轮询或事件触发的方式与从站进行通信。
EtherCAT 的实时性是通过使用特殊的数据链路层协议和硬件实现的。
它采用了时间同步机制,保证了数据传输的确定性和实时性。
需要注意的是,以上是EtherCAT 电路的基本原理,实际的EtherCAT 系统还涉及到更多的细节和功能,如网络拓扑、从站配置、错误处理等。
如果你需要更深入了解EtherCAT 电路原理,建议参考相关的技术文档和资料。
以太网交换机采用是上海兆越独有的MOS操作系统平台,系统采用分层设计,分为硬件适配层、操作系统和任务接口、IP转发及路由策略管理、路由应用层、业务应用层、系统管理和配置服务。
平台化:抽象的软件体系结构,专为网络设计优化的通讯产品操作平台。
组件化:集成二三层交换技术、QoS服务技术、安全技术等通信要件。
所有业务以组件的形式添加到MOS平台,组件与组件之间通讯采用标准内部接口,保证基于产品应用,可裁剪和伸缩,能快速推出产品。
为多种产品提供一致的网络界面、用户界面、管理界面,提供灵活丰富的应用解决方案。
数据承载网络系统软件,具有冗余、容错、防病毒的功能。
软件的工程开发遵循ISO9001、EN50128、EN50159-1、EN50159-2等相关系列的软件质量及安全保证体系,具有完善的软件文档管理。
MOS平台分管理、控制、支撑、数据四个平面。
管理平面向用户提供平台的配置和管理功能,提供命令行、WEB、SNMP 三种管理方式,可根据产品需要增减。
其中命令行采用类Cisco风格。
MOS平台将控制平面的各功能模块抽象定义统一的接口和数据结构,命令行、WEB、SNMP等管理模块通过统一接口和数据结构,配置管理各功能模块。
采用这种设计,所有模块遵守预先定义好的数据结构和接口,能方便地增加一种新的配置工具,以满足产品多样性,如增加PON设备的CTC及OMCI管理功能。
各管理模块并行执行,采用消息机制,管理各业务功能模块。
数据流图如下所示控制平面SSM:System Service Module,MOS平台微内核,提供基本二、三层服务、接口管理、配置管理、系统服务等;RM(Route Manager):实现OSPF、BGP、IS-IS、RIP、PIM DM/SM 等多种单播和多播路由协议,支持路由迭代、路由策略、ECMP等丰富的路由特性;Service Application:业务应用模块,包括AAA、DHCP、PTP、VRRP、QoS等。
《面向ZYNQ嵌入式平台的EtherCAT通信协议栈设计与实现》一、引言随着工业自动化和智能制造的快速发展,EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)通信协议因其高带宽、低延迟和易扩展的特性,在嵌入式系统中得到了广泛应用。
本文将详细介绍面向ZYNQ嵌入式平台的EtherCAT通信协议栈的设计与实现过程,通过对其体系结构和功能的全面描述,旨在为相关开发人员提供一定的参考。
二、EtherCAT协议概述EtherCAT是一种实时以太网通信协议,其核心思想是将实时控制任务的数据传输与标准以太网进行无缝集成。
EtherCAT协议通过分布式时钟和状态机机制,实现了对数据的高效、实时传输。
在嵌入式系统中,EtherCAT协议的应用能够显著提高系统的响应速度和数据处理能力。
三、ZYNQ嵌入式平台简介ZYNQ嵌入式平台是一款基于Xilinx FPGA和ARM Cortex-A9处理器的嵌入式系统。
其具有高性能、低功耗的特点,广泛应用于工业控制、医疗设备、智能交通等领域。
在ZYNQ平台上实现EtherCAT协议,能够更好地满足实时性、稳定性和可扩展性的需求。
四、EtherCAT通信协议栈设计1. 整体架构设计EtherCAT通信协议栈的设计包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。
其中,物理层负责与硬件设备进行数据传输;数据链路层负责帧的封装与解析;网络层负责数据的路由与转发;应用层则提供丰富的接口供上层应用使用。
2. 详细设计(1)物理层设计:物理层采用标准的以太网物理层芯片,通过MII/GMII接口与ZYNQ平台进行连接。
(2)数据链路层设计:数据链路层负责将上层数据封装成EtherCAT帧,并实现帧的发送与接收。
此外,还需要实现分布式时钟同步机制,以保证数据的实时性。
(3)网络层设计:网络层主要负责数据的路由与转发。
在EtherCAT协议中,网络层需要实现SDO(Service Data Object)访问和PDO(Process Data Object)通信等功能。
工控TCP/IP协议指的是应用于工业控制系统中的TCP/IP协议栈。
TCP/IP协议是一组用于在计算机网络之间进行通信的协议,包括传输控制协议(TCP)和互联网协议(IP)。
在工业控制领域,使用TCP/IP协议可实现设备之间的数据交换和通信。
下面是对工控TCP/IP协议的一些详解:1. TCP/IP协议栈:工控TCP/IP协议栈是基于TCP/IP协议设计的专为工业控制领域而优化的协议栈。
它包含多个协议层,包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。
2. 数据链路层:工控TCP/IP协议使用以太网作为主要的数据链路层协议。
它使用以太网帧格式来封装和传输数据。
3. 网络层:工控TCP/IP协议使用互联网协议IP作为网络层协议。
IP负责数据的路由和传递,并实现了IPv4或IPv6地址的分配和识别。
4. 传输层:工控TCP/IP协议使用传输控制协议TCP或用户数据报协议UDP作为传输层协议。
TCP提供面向连接的、可靠的数据传输,而UDP提供无连接的、不可靠的数据传输。
5. 应用层:工控TCP/IP协议的应用层包括一系列协议和服务,用于实现特定的应用功能,如Modbus TCP、OPC UA、SNMP和HTTP等。
6. 网络拓扑:工业控制系统中的网络拓扑通常采用层次化结构,包括控制网络、现场总线和设备级网络。
工控TCP/IP协议可在这些网络之间建立通信连接。
7. 安全性:由于工业控制系统对安全性的要求较高,工控TCP/IP协议通常会引入安全机制,如虚拟私有网络(VPN)、防火墙和加密技术,以保护通信数据的安全性和保密性。
工控TCP/IP协议提供了在工业控制系统中实现数据传输和通信的基础。
它广泛应用于工业自动化、远程监控和设备管理等领域,为工控设备的互联和集成提供了标准化的解决方案。
工业控制通信协议1. 引言工业控制通信协议是指用于在工业控制领域中实现设备之间通信的协议,它们为工业设备的互联互通提供了标准化的方法和规范。
在工业自动化领域,控制系统的可靠性和稳定性对于保证工业生产的正常运行至关重要。
工业控制通信协议的设计和使用能够帮助工程师们更好地实现工业自动化控制系统以及工控设备之间的有效通信。
本文将介绍几种常见的工业控制通信协议,包括Modbus、Profibus、CANopen和EtherNet/IP,分析它们的特点和应用场景,并对比它们之间的异同,为读者在工业控制通信协议的选择上提供一定的参考。
2. ModbusModbus是一种简单易实现、广泛应用于工业领域的串行通信协议。
它最初由Modicon公司于1979年发布,并很快成为了工控设备之间通信的事实标准。
Modbus协议主要包括物理层、数据链路层和应用层,支持串行通信和以太网通信两种方式。
Modbus协议的特点是简单易懂、实现成本低、传输效率高。
它适用于小型工业控制系统、远程监控系统以及分布式控制系统等场景。
然而,由于Modbus协议存在一些安全性和可靠性上的限制,它在大型工业自动化控制系统中使用较少。
3. ProfibusProfibus是一种用于工业自动化的通信协议,广泛应用于工业现场总线网络。
Profibus协议具有高效可靠的数据传输能力,支持分布式控制和实时控制。
它分为Profibus DP(分布式设备)和Profibus PA(过程自动化)两种类型,适用于不同的工业应用场景。
Profibus协议的优点是支持高速传输、可靠性强、具有灵活的拓扑结构。
它适用于大型工业自动化控制系统以及对实时性要求较高的工业场景。
然而,由于Profibus协议使用较为复杂,对工程师的要求较高,导致了它在有些简单的工控设备中应用较少。
4. CANopenCANopen是一种基于CAN总线的高级通信协议,广泛应用于工控领域。
它具有良好的实时性和可靠性,支持多主多从的通信方式。
工控协议引言工控协议是工业控制系统中用于设备之间通信的一种特定协议。
它是工业自动化领域中非常重要的一部分,用于实现设备之间的数据传输和控制命令的传递。
本文将介绍工控协议的基本概念、常见的工控协议以及其在工业控制系统中的应用。
工控协议的基本概念工控协议是指在工业控制系统中,设备之间进行通信时所遵循的一套规则和约定。
它规定了数据的格式、传输方式、通信协议等,以确保设备之间能够正确地交换数据和控制命令。
工控协议通常由两部分组成:物理层和应用层。
物理层定义了通信介质和电气特性,如串行通信、以太网等。
应用层则定义了数据的格式、命令的解析和处理方式等。
常见的工控协议ModbusModbus是一种常见的串行通信协议,广泛应用于工业自动化领域。
它具有简单、易于实现和广泛兼容性等特点。
Modbus协议包含了读取和写入数据的命令,以及设备之间的异常处理和错误校验等功能。
OPC UAOPC UA(OLE for Process Control Unified Architecture)是一种面向服务的工业通信框架。
它提供了一种统一的数据模型和接口,用于实现设备之间的数据传输和访问。
OPC UA具有高度的灵活性和可扩展性,可在不同平台和操作系统之间进行通信。
DNP3DNP3(Distributed Network Protocol version 3)是用于电力、水务等领域的远程监控和控制的通信协议。
它具有高效、可靠和安全的特点,适用于复杂的工业控制系统。
ProfibusProfibus是一种用于工业自动化的现场总线通信协议。
它可以连接各种不同类型的设备,如传感器、执行器等,并实现设备之间的数据交换和控制。
工控协议在工业控制系统中的应用工控协议在工业控制系统中起着至关重要的作用。
它使得各种设备能够实现数据的传输和控制命令的交换,从而实现工业自动化的目标。
工控协议的应用范围非常广泛,涉及到各种不同的工业控制系统,如电力系统、水务系统、交通系统等。
EtherNet/IPEthernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。
它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上,利用固定的以太网硬件和软件,为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。
Ethernet/IP技术Ethernet/IP以特殊的方式将以太网节点分成预定义的设备类型。
Ethernet/IP应用层协议是基于控制和信息协议(CIP)层的,提供了从工业楼层到企业网络的一整套无缝整合系统。
Ethernet/IP使用所有传统的以太网协议,构建于标准以太网技术之上,这意味着Ethernet/IP可以和现在所有的标准以太网设备透明衔接工作。
更重要的是,将Ethernet/IP建立在一个标准的以太网技术平台上,保证了前者会随着后者技术的发展而进一步发展。
支持Ethernet/IP的团体正致力于编制一个综合的稳固的标准,Ethernet/IP上的工作正由多个经销商参与,包括定制规格以及在经认证的测试实验室进行全面的综合测试。
工厂现场的工业化连通性传统的连接设备在典型办公室环境下向用户提供数年的服务保证。
然而,将同样的铜缆或是光纤连接器暴露于极端条件下,其性能和可靠性都会下降,最终用户须支付价格高昂的维护费用以排除故障和更换配件。
一种新的连接器,它被专门设计用以在恶劣环境下构建一个坚固的以太网连接,比先前的连接器更坚韧、更强壮、更具抵御力。
这个新接口被普遍认为是“工业连接器”,其应用不仅局限于制造业。
这种连接器被设计用以经受最为恶劣工业环境的考验。
工业连接器解决方案已经诞生西蒙公司已开发出一种满足所有TIA和IEC草案标准要求的工业用RJ-45连接器,并被ODVA组织所认可。
西蒙工业MAX插座和插头能够提供对极端环境非常有效的抵御力。
西蒙的工业解决方案主要以一种密封RJ-45插头和插座的方式达到IP 67的等级评定。
插头的外部有一个独特的刺刀式耦合螺母,通过简单的四分之一圈旋转与插座外壳啮合。
目录1.现场总线控制技术与工业以太网2.工业以太网实时性问题3.Ethernet/IP协议简介4.Ethernet/I P通信适配器硬件设计与实现5.EtherNet/IP 工业以太网优缺点及发展前景Ethernet/IP协议简介1 现场总线控制技术与工业以太网20世纪90年代以后随着现场总线控制技术的逐渐成熟,智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用,嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地接入了现场总线。
现场总线控制系统(FCS)是顺应智能现场仪表而发展起来的。
它的初衷是用数字通讯代替4--20mA模拟传输技术,但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展,在控制领域内引起了一场前所未有的革命。
控制专家们纷纷预言:FCS将成为21世纪控制系统的主流。
然而在控制界对FCS进行概念炒作的时候,却注意到它的发展在某些方面的不协调,其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一:8种现场总线经过14年的纷争,最后IEC的现场总线标准化组织经投票,通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准,即:FF H1,Control Net,ProfiBus,InterBus,P.Net,World FIP,Swift Net,FF之高速EtherNet即HSE。
这8种现场总线互不兼容,这也使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。
此外,FCS的传输速率也不尽人意,以基金会现场总线(FF)正在制定的国际标准为例,它采用了ISO的参考模型中的3层(物理层、数据链路层和应用层)和极具特色的用户层,其低速总线H1的传输速度为31.25kbps,高速总线H2的传输速度为1 Mbps或2.5Mbps,这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。
又如广泛用于汽车行业的Can总线系统,其最高的传输速率为1 Mbps/40米;这些现场总线受通讯距离制约较大。
由于上述原因,使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。
文件修订页目录1文档介绍............................................................................................................................... 1-3 1.1 文档目的......................................................................................................................... 1-3 1.2 文档范围......................................................................................................................... 1-3 1.3 读者对象......................................................................................................................... 1-3 1.4 参考文档......................................................................................................................... 1-3 1.5 术语与缩写解释............................................................................................................. 1-3 2背景:................................................................................................................................... 2-4 3需求....................................................................................................................................... 3-4 4与应用层的接口................................................................................................................... 4-5 5系统的体系结构................................................................................................................... 5-6 6工业以太网协议................................................................................................................... 6-7 6.1 选主:............................................................................................................................. 6-8 6.2 令牌结构......................................................................................................................... 6-9 6.3 令牌环的生成................................................................................................................. 6-96.3.1令牌环传递、产生可以图示如下: ...................................................................... 6-96.3.2从节点在线注册: .................................................................................................. 6-96.3.3从节点离线处理: .................................................................................................6-106.3.4令牌丢失的处理: .................................................................................................6-106.3.5单点故障扩散的规避: .........................................................................................6-10 6.4 令牌传递策略................................................................................................................ 6-116.4.1令牌传递顺序: ..................................................................................................... 6-116.4.2多个令牌同时传递: ............................................................................................. 6-11 6.5 双网切换策略................................................................................................................ 6-11 6.6 算法各项指标估算........................................................................................................6-131文档介绍1.1 文档目的本文主要根据《工业以太网协议--软件需求.doc》的要求,以及前期的技术预研,给出了实现“工业以太网协议”的具体思路,作为后续具体开发工业以太网协议的依据,同时也希望同级评审中能及时发现设计中的不妥之处。
《基于PROFINET协议的安全IO设备设计与实现》一、引言随着工业自动化技术的不断发展,安全IO设备在工业控制系统中的地位日益凸显。
为了满足工业生产的高效性、稳定性和安全性要求,基于PROFINET协议的安全IO设备设计与实现成为了工业界关注的焦点。
本文旨在探讨基于PROFINET协议的安全IO设备的设计与实现过程,以及其在工业应用中的重要性。
二、PROFINET协议概述PROFINET是一种基于工业以太网的通信协议,具有高实时性、高可靠性、高灵活性等特点,广泛应用于工业自动化领域。
它支持多种数据传输方式,包括实时数据传输、非实时数据传输等,并支持多种安全通信标准。
三、安全IO设备需求分析安全IO设备作为工业控制系统的关键组成部分,需要在满足数据传输速率的同时,确保系统的安全性。
因此,安全IO设备需要具备以下特点:1. 实时性:满足工业控制系统的实时性要求;2. 安全性:确保数据传输的安全性,防止数据被篡改或窃取;3. 可靠性:设备具有高可靠性,能够在恶劣环境下稳定工作;4. 灵活性:支持多种通信协议和接口,方便与其他设备进行连接。
四、安全IO设备设计基于上述需求分析,安全IO设备的设计应包括以下几个方面:1. 硬件设计:选用高性能的微处理器和通信芯片,确保设备的处理能力和通信性能;同时,考虑到设备的可靠性,应采用防尘、防水、抗振等措施。
2. 软件设计:软件设计应包括操作系统、通信协议栈、安全算法等部分。
操作系统应具备高实时性和高稳定性;通信协议栈应支持PROFINET协议和其他常用通信协议;安全算法应采用加密、认证等措施,确保数据传输的安全性。
3. 接口设计:为了方便与其他设备进行连接,安全IO设备应支持多种通信接口,如以太网接口、串口等。
同时,为了方便用户配置和管理设备,还应提供友好的人机交互界面。
五、安全IO设备实现在实现安全IO设备时,需要完成以下工作:1. 编程开发:根据软件设计的要求,编写操作系统、通信协议栈和安全算法等部分的程序代码。
工业以太环网设计方案The saying "the more diligent, the more luckier you are" really should be my charm in2006.工业以太环网设计方案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;1.1.1 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、物以及工程项目管理的综合自动化,能对煤炭的生产状况进行实时监视,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;控制层网络设备的技术与产品选型本方案将采用基于以太网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,本方案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;冗余工业以太网网络设计1.3.1 综述随着网络化、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、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案;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,本方案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;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,本方案采用台湾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)网络架构核心设备——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;中央核心交换机PT77282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/STPD- IGMP Snooping和GMRP过滤多播封包- 支持基于端口的VLAN、IEEE VLAN和GVRP协议,轻松实现网络管理- 通过QoS--IEEE 1Q和TOS/DiffServ提升决策机制- 采用,LACP优化网络带宽- 支持IEEE 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- Line-swap快速恢复- 可通过web浏览器、Telnet/Serial console,Windows Utility和ABC-01配置本次设计采用其中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,实现操控站高可靠性;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,IGMP Snooping/GMRP,VLAN,Port Trunking,SNMP V1/V2c/V3,IEEE 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 1588PTP,Modbus/TCP,LLDP,SNMP Inform,QoS,IGMPsnooping,VLAN,IEEE ,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,用于以不同策略分配IP地址-支持工业以太网协议Modbus/TCP- Turbo Ring及Turbo Chain全载时自愈时间 < 20毫秒和RSTP/STP IEEE 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 VLAN和GVRP,轻松实现网络规划-支持QoS-IEEE 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 ,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;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:127V/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:≤-20dBm;{使用MGTSV-2、4、6、8、10、12A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:1V~5V;e、到分站设备之间最大传输距离:5mMHYVR电缆,电缆分布参数:分布电容:≤μF/Km;分布电感:≤ Km;直流电阻:≤Ω/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:≤10V;e、信号工作电流峰值:≤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10/100M的端口速率;交换机布置方案介绍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;井下部分各交换机及设计布置点如下:2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;因而本方案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或链路发生故障,环网传输路径将选择反方向传输,保证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 网络管理本方案采用MOXA公司的MAXVIEW网络管理软件对整个网络的所有网络设备进行统一的管理;网络管理是计算机网络系统可靠、安全、高效运行的保障;ISO为网络管理的实现制定了相应的标准,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规划、配置的工具,它可以实现对所有支持SNMP协议的网络设备进行管理、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合适配置,通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;设备控制网中所有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,通过光纤环网交换机的管理IP地址即可在图形化界面上实现对交换机管理、配置和状态的观测;工业以太环网明细表。