环网在矿井综合自动化平台上的应用

中矿传动技术交流

技术前沿

2021年12月13日发布

        环网，顾名思义就是封闭的网络循环，环网上的某一路链路断开，不会影响网络上数据的转发。因此，环网结构有自身的优点，比如有冗余性、可靠性等优点。

        环网本身因具有冗余性和高可靠性等优点，作为技术载体，环网交换机在矿井网络建设上优势明显，在主干网和子网建设上均有大量使用。通过矿井工业环形以太环网的建设，将矿井各环节系统（采掘、供电、运输、通风、排水等）的设备工作状态信息、生产信息、安全信息实时传递到矿井生产安全调度指挥中心，为矿井的综合自动化系统提供一个高速、安全、可靠的信息传输平台，为矿领导的指挥和管理提供充分的、实时的信息依据，为矿井建设综合自动化平台提供基础平台。

1）外观比较

       工业环网交换机采用表面或褶皱外壳散热，金属外壳，强度高。而普通商用交换机为塑胶外壳，强度低，且交换机有风扇散热。

图1使用环境

2）使用环境能力

       工业环网交换机工作温度为-40℃---+85℃，且防尘和湿度适应能力强，防护等级 IP40以上。因此工业交换机的应用范围广，适合各种环境的安装。商用交换机工作温度为0℃---+50℃，且无防尘和湿度适应能力，防护等级差。   

3）使用寿命

       工业交换机使用寿命>10年。但是普通商用交换机使用寿命为3-5年。

4）其他参考指数

       使用工作电压：工业交换机适用DC12V、DC24V、DC110V 、DC/AC220V。商用交换机必须在AC220V下工作。工业交换机主打环网模式，减少线缆的使用和维护的成本。

       环网交换机可以组建环形网络，每台交换机上有两个用于组环的端口，交换机之间通过手拉手形式构成了环形的网络拓扑。其组建的优势是当环网上的某一路链路断开时,不会影响网络上数据的转发，因此在很多工业通信领域引入了环网交换机。环网交换机采用了某些特殊技术，避免了广播风暴的产生,同时又实现了环形网络的可靠性。环网交换机通过对信息进行重新生成，并经过内部处理转发至指定端口，具备自动寻址能力和交换作用，由于环网交换机根据所传递信息包含的目的地址，将每一条信息独立从源端口发送至目的地，避免和其他端口发生触碰。

        环形网络是使用一个连续的环将每台设备连接在一起。它能够保证一台设备上发送的信号可以被环网上其他所有的设备都看到。而环网冗余是指工业级环网交换机是否支持网络出现线缆连接中断的情况出现时，工业级环网交换机接收到此信息，激活其后备端口，使网络通信恢复正常运行。同时，网络中7口和8口断开连接的交换机，继电器闭合，指示灯向用户发出错误警报。线缆修复正常后，继电器和指示灯恢复正常状态的功能。

1）数据链路

       环网交换机工作在数据链路层，拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。环网交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在，广播到所有的端口，接收端口回应后环网交换机会“学习”新的MAC地址，并把它添加入内部MAC地址表中。使用环网交换机也可以把网络“分段”，通过对照IP地址表，环网交换机只允许必要的网络流量通过环网交换机。通过环网交换机的过滤和转发，可以有效的减少冲突域，但它不能划分网络层广播，即广播域。
2）端口
　　环网交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的物理网段（注：非IP网段），连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbps的以太网环网交换机，那么该环网交换机这时的总流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出10Mbps。总之，环网交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据帧功能的网络设备。环网交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。
3）传输
　　环网交换机的传输模式有全双工，半双工，全双工/半双工自适应环网交换机的全双工是指环网交换机在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。环网交换机都支持全双工。全双工的好处在于迟延小，速度快。

图2  网络传输模型

        目前矿井主干网络搭建是由工业以太环网拓扑结构组成，分为环型和星型。基于安全可靠方面的考虑，一般工业以太网采用工业以太环网-RS485现场总线的结构，如，即：主干网络采用10000M环网进行数据传输，所有子系统采用总线或以太网方式就近接入环网节点。环形网络拓扑结构通过交换机的环间耦合技术和聚合技术、双链路冗余连接互为备份的整体。使得多环网通信的故障切换时间得以保证，故障切换时间短。

图3  环网+星型结构模型

       通过井上、井下各监控设备就近接入环网交换机，这种布局网络结构清晰，网络层次分明，数据采集服务器直接连到核心交换机上，链路路径最直接，采集数据快捷。再通过WEB服务器对企业网的用户提供访问，接在防火墙的DMZ区，其他的设备都在防火墙的内部区域，整体网络结构非常简洁、安全。

  （本稿件由中矿传动市场部整理编辑，经中矿传动技术支持团队审核授权发布！）

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