李鑫王坤郭勇(煤炭工业邯郸设计研究院)
摘要:本文简要介绍了数字化矿山的构架及工业以太网,讨论了基于工业以太网的三网合一中视频信号及音频信号的接入方式,并分析了三网合一在数字化矿山的应用中面临的问题及解决以及三网合一在数字化矿山中的应用的前景。
关键词:数字化矿山工业以太网三网合一
0引言
“十一五”规划建议:“加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设,推进‘三网融合’。”“规划”中对5年内推进三网从技术方面整合基础设施资源,做了明确的硬性规定。由此在未来实现“三网”从政策上统一管理,经营上协作互动,三网合一已是大势所趋。三网合一即是在工业以太网网络平台上工控数据流传输的同时,实现了视频流、语音流同网传输,便于数字化矿山中系统平台的高度集成,优化了传输方式,减少了成本,克服了传输通道的瓶颈。在可保证数据稳定传输的前提下,工业以太网的可用带宽也得到了充分的利用。
1数字化矿山
数字化矿山是以煤炭生产各个环节的过程监测及自动化控制产生的信息作为信息源,通过现场总线方式自动导入到以工业网络为基础的全集成自动化监测监控平台。利用工业网络将现场控制、监测层的各个子系统、工业电视系统、调度通信系统、矿井环境与生产监控系统有机地汇接在一起,进行加工处理,形成集数据、图象、语音为一体的全矿井安全、生产指挥调度监视监控系统。利用统一的数据中心,将生产现场的各种信息源及信息在数据库中集成化整合,支撑各个管理层面对生产业务数据的不同需求,为经营管理决策提供数据依据,形成企业的专家分析系统及决策支持系统。
2工业以太网
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,但在产品设计时,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。由于以太网具有频带宽、抗电磁干扰、传输距离远、有冗余和自愈功能等优势,网络采用标准接口和统一的TCP/IP传输协议,便于多系统集成和扩展等优点,目前它已经在数字化矿山系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用,并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。近年来新开发的适应于煤矿井下环境的环网交换机设备,为工业以太环网在煤矿井下的应用提供了必备条件,使煤矿监测、监控系统传输技术在高速率、高可靠性、高兼容性等方面的发展上了一个台阶。因此工业以太网将在数字化矿山系统中的现场设备之间的互连和信息集成中将会发挥越来越重要的作用。
3三网合一在数字化矿山中的应用
随着以太网技术在工业上的应用以及工业千兆环形以太网技术的发展,工业以太网的安全性、实时性以及带宽得到了很大的提高,同时各厂家纷纷提出支持以太网协议的设备,随着各厂家设备应用的成熟,工业以太网在传输数据信息的同时,实现视频,音频,数据三网合一必将是数字化矿山工业网络平台的发展方向,他它可以为数字化矿山提供一个统一的网络传输平台。
3.1三网合一中视频接入在实际应用中,基于工业以太网的三网合一中的视频接入有两种方式,一种是数字摄像机直接接入工业以太网交换机的模式,一种是模拟摄像机通过视频编解码器接入工业以太网交换机的模式。
3.1.1数字摄像机直接接入工业以太网交换机的模式这种接入方式中,数字摄像机带有RJ45或光缆接口,可直接通过双绞线或者光缆接入工业以太网交换机,工业电视信号通过工业以太网交换机由工业以太网传输至调度室。
数字摄像机是指摄像机的图像处理及信号的记录全部使用数字信号完成的摄像机。数字摄像机是传统摄像机与网络视频技术相结合的新一代产品,除了具备一般传统摄像机所有的图像捕捉功能外,机内还内置了数字化压缩控制器和基于WEB的操作系统,使得视频数据经压缩加密后,通过局域网,internet或无线网络送至终端用户。而远端用户可在自己的PC上使用标准的浏览软件,对网络摄像机进行访问,实时监控目标现场的情况,并可对图像资料实时编辑和存储,另外还可以通过网络来控制摄像机的云台和镜头,进行全方位地监控。
3.1.2模拟摄像机通过视频编解码器接入工业以太网交换机的模式在矿山的生产现场,图像传输系统可根据实际情况,由网络视频编码器、交换机、视频服务器等设备组成。通过编解码器,可将模拟摄像机的信号转换为数字信号,通过以太网传输。调度中心视频系统由视频服务器管理系统和显示系统组成,视频服务器管理系统完成对图像的存储和分类,显示系统由网络视频解码器、电视墙或大屏幕、矩阵切换器等组成,从网络接收监控图像,解码后送至矩阵切换器输出到电视墙或者大屏幕,实现全矿井的全方位监视。可有效降低网络负荷及抑制网络广播等故障发生,应用时将所有视频接入的交换端口划为统一的虚拟局域网(VLAN)之内。
编解码器是编码器(Encoder)和解码器(Decoder)合称,是将音频或视频信号在模拟格式和数字格式之间转换的硬件设备、压缩和解压缩音频或视频数据的硬件或软件(压缩/解压缩);或是编码器/解码器和压缩/解压缩的组合。
以上两种模式在矿井三网合一的应用中较为常见,但由于各个厂家的压缩编码算法不同,因此加压后显示效果也有很大差异,会有一定延时和丢桢现象,但基于工业以太网的视频传输可以省去大量的视频电缆的敷设,即节省了投资,也便于视频设备的检修维护。
3.2三网合一中音频接入三网合一中音频接入主要应用在矿井井下调度通信系统,以井下光纤环网为传输通道。网络调度通信系统融IP通信、多种数据业务、增值调度通信系统于一体,既支持模拟电话接入,也支持IP电话接入及IAD网关设备接入。
IP电话是指在IP网上通过TCP/IP协议实时传送语音信息的应用。IP电话始于在因特网上PC到PC的电话,随后发展到通过网关把因特网与传统电话网联系起来,实现从普通电话机到普通电话机的IP电话。IP电话的基本原理是将语音压缩封装成IP包,通过IP网络传输。下图是网络调度通信系统机构图:
目前,在数字化矿山中主要应用的网络调度通信系统是煤科总院常州自动化所的KTJ4I网络调度通信系统。它采用语音优先标记(TOS)、动态抖动缓冲区(JITTERBUFFER)、语音侦测(VAD)及舒适背景噪音生成(CNG)、Diffserv等语音质量保障技术,从而确保了IP语音通话的质量。升级用户可继续使用其原有的传统电话网络,新装用户同样可以选择使用部分模拟分机,从而可以更好地满足用户需求,保护用户原有投资。它以井下光纤环网为传输通道,可省去昂贵的多芯主干电缆,节省投资。
3.3三网合一在数字化矿山中的应用中面临的问题及解决尽管采用IP网络的视音频传输技术已相当成熟,但目前在数字化矿山建设中,大部分矿方仍坚持工业电视监控系统仍然采用光缆直接传输视频信号,井下的调度电话仍采用传统的音频电话。其原因是:①认为视频信号占用带宽太大,100M以太网只能传输几路工业电视信号,1000M网也只能传输20多路。②视音频通过监控用的工业以太网传输会导致监控数据传输不可靠。③采用IP网络传输视频不如目前用的管线视频网络稳定可靠,简单易行。④网络摄像机性价比不如模拟摄像机。
针对三网合一在数字化矿山应用中面临的问题,煤炭行业的研究院(所)及厂家不断地研发及推出新的网络技术及网络音视频压缩技术,目前采用高压缩率的视频编码如MPEG4、H.264可以使一路监控视频的码率最高降低到500KBPS,由于监控对象经常接近于静止图像,其压缩率会更高,保守一点估计,按30%的网络负荷率计算,100M网上传输30多路监控视频是没有问题的。
视音频数据对监控数据的影响问题可以通过优先级技术解决,由于监控数据的流量相对视音频数据来说很小,设置其优先级高于视频和音频的优先级就可以保证监控数据的实时性和可靠性,且不会影响视音频信号的传输,随着新型视音频型号处理芯片的不断推出,网络摄像机的价格也会不断下降,本安性网络摄像机也会不断地开发推出。
3.4三网合一在数字化矿山中的应用实例在寺家庄煤矿、漳村煤矿、大柳塔煤矿等矿井的建设中,其千兆工业以太网上均实现了数据流、视频流、语音流同缆同芯传输,各个自动化子系统通过千兆工业以太网把实时数据传输到地面的监控中心。由于工业电视系统已经全部实现了数字化,视频数据通过视频编码器转化成数字信号,通过工业以太网进行传输,将网络视频数据高度集成到集控平台上,从而延伸了视频服务功能。另外,语音数据也能够通过工业以太网传输到集控中心的语音调度平台。数字信号的同网传输,便于综合自动化系统平台的高度集成。系统真正实现了三网合一,优化了传输方式,减少了成本,克服了传输通道的瓶颈。
4三网合一在数字化矿山中的应用的前景
尽管“三网合一”与煤矿瓦斯监控系统合一的的理念还没有被煤矿企业所完全接受,但是随着三网合一的建网思想逐步被业界所认可,数字化矿山中的三网合一技术也必将得到不断的发展和应用,这是发展必然趋势。但为了适应形势的发展,除了在技术上开发适用于煤矿的防爆设备外,煤矿安全规程的某些条款和有关监控系统的有关行业标准也会不断地更新修订。