基本信息
- 项目名称：
- 矿用本安型以太网交换机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本课题设计的本安型矿用工业以太网交换机以IEM7010处理器为交换核心，集成了矿用本安型RS485转以太网模块，使矿山监控系统中通过异步串行通信接口RS485协议通信的设备网络化；根据本质安全要求，设计了本安型电源电路，具有过压、过流、保护等功能。本安型以太网交换机克服了隔爆型交换机的缺点，具有体积小（360mm×240mm×120mm）、重量轻（小于5kg）、功耗低（小于15W）等特点。
- 详细介绍：
- 矿山安全生产监控系统的发展趋势是网络化、集成化和多媒体化。基于工业以太网的多业务传输平台可以使离散、分布式监控系统集成为多媒体综合监控系统，节省人力、物力及财力。但是，目前国内现有用于矿山安全监控系统的以太网交换机的防爆形式主要以隔爆型居多，防爆标志为Exd[ib]-I，体积大(分别为：606mm×503mm×231mm，660mm×442mm×709mm)、重量沉(分别为80kg、160kg)、功耗高、成本高。 基于以上背景和现实状况，我们设计制作了本安型矿用以太网交换机，用于煤矿现有的分布式现场总线监控系统的改造以及新矿的信息化建设。 1作品设计基本思路： 本安防爆技术是利用系统或电路的电气参数达到防爆要求，是在电路设计的初始就对电路在短路、开路或断路以及误操作等各种状态下可能发生的电火花予以限制，使火花能量处在爆炸性混合物或易燃易爆气体的最小点燃能量之下，使之成为安全火花，从爆炸发生的根本原因上解决防爆。所以我们在设计本安型以太网交换机的整个过程中，是严格按照GB3836-4《爆炸性气体环境用电气设备 第四部分：本质安全型“i”》相关标准和方法实现的，以确保交换机在矿井环境下的性能和电路本质安全化。 我们认真进行了矿用本安型以太网交换机性能、功能、功耗问题的详尽分析，结合这些分析选择了矿用本安型以太网交换机的核心器件与操作平台，提出了以下设计方案和基本思路： 系统设计： 矿用本安型以太网交换机的系统设计是以低功耗的IEM7010芯片作为交换核心，整个以太网交换机主要由交换核心、电源模块、485转换模块、光纤模块和指示灯板等部分组成。 交换核心部分：交换模块是矿用本安综合接入器的核心，我们选用的是深圳市三旺通信技术有限公司的嵌入式模组IEM7010模块。它的主要功能是对数据的存储转发，实现各种外围部件的接口和对接受到的信息无损转发，根据本方案设想交换模块要求体积小巧，便于嵌入到产品中，而且考虑到产品要用到矿井，所以交换模块一定要满足本质安全的要求。 485转换模块部分：这也是该设计中重要的一部分。这部分全部使用数字电路实现，进行报文字节的统计，然后做相应的判断进行控制，从而实现内网与外网之间的数据隔离。可以将分布式传感器、控制器输出的串口数据立即转换成网络数据，使矿山离散、分布式监控系统方便地接入到矿用工业以太网。 光纤模块部分：负责矿用本安型以太网交换机组建矿区局域环网；通过1000M两芯单模光纤冗余接口，完成以太网数据的传送。 电源部分：为本设计的关键部分。因为该设计需要的电平信号为3.3V，所以这里需要经过转换提供本设计所需要的电平信号3.3V。本设计采用外接隔爆兼本安型不间断电源提供直流电源(KDW28-18)，然后通过电源转换芯片得到所需要的电平信号。另外在设计时，考虑到交换机的工作环境，电源具有过流过压保护功能。 2作品创新点 （1）本作品采用本安防爆技术进行设计，严格按照GB3836-4《爆炸性气体环境用电气设备 第四部分：本质安全型“i”》相关标准和方法实现的，以确保交换机在矿井环境下的性能和电路本质安全化。 （2）功耗问题是本安型计算机设计的技术难题，本作品输入的额定电压和电流分别为18V和0.5A，内部核心模块的供电只有3.3V，达到了低功耗的要求。 （3）电源模块采用了过流过压保护技术，通过限制电路中的电流、电压实现本安电路的要求。 （4）本设计系统中集成了以太网转RS485模块，所以交换机的外部接口还可以与RS485终端进行相连；支持多个平台的接入。 （5）可以组建1000Mbps矿用光纤冗余自愈工业环网，最多可支持100个设备进行组网。 3作品关键技术 （1）本安防爆技术。 （2）本安型交换机功耗问题，电源设计的技术改进。 （3） 支持多个不同类型的网络平台接入，提高了矿用网络的集成化、统一化管理。 （4）无需其它管理设备，就可组建1000Mbps矿用光纤冗余自愈工业环网，自愈时间≤20ms。 4主要技术指标 矿用本安型以太网交换机技术指标和各单元参数 外形尺寸、重量及材质 ——外形尺寸：360mm×240mm×120mm； ——重量：5kg； ——材质：不锈钢。 工作电压及工作电流 —— 额定工作电压：18V.DC； —— 工作电流：≤800mA。 以太网光端口 —— 端口数量：2个； —— 传输速率：1000Mbps ； —— 发射功率：≤-1dBm； —— 接收灵敏度：≥-35dBm； —— 最大传输距离：10km (1310nm单模光纤)。 以太网电端口 —— 端口数量：5个； —— 传输速率：100Mbps； —— 信号工作电压峰峰值：≤5V； —— 最大传输距离：100m。 RS485端口 —— 端口数量：2个； —— 传输速率：4800bps； —— 信号工作电压峰峰值：≤5V； —— 信号工作电流峰峰值：≤150mA； —— 最大传输距离：10km（不小于1.5mm2的RVVSP屏蔽双绞线）。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：用于煤矿现有的分布式现场总线监控系统的改造以及新矿的信息化建设。 作品设计基本思路：矿用本安型以太网交换机的系统设计是以低功耗的IEM7010芯片作为交换核心，整个以太网交换机主要由交换核心、电源模块、485转换模块、光纤模块和指示灯板等部分组成。 作品创新点： （1）功耗问题是本安型交换机设计的技术难题，本作品输入的额定电压和电流分别为18V和0.5A，内部核心模块的供电只有3.3V，达到了低功耗的要求。 （2）电源模块采用了过流过压保护技术，通过限制电路中的电流、电压实现本安电路的要求。 （3）本设计系统中集成了以太网转RS485模块，所以交换机的外部接口还可以与RS485终端进行相连；支持多个平台的接入。 作品关键技术： 本安防爆技术。
科学性、先进性
- 经过我们的市场调查，矿用纯本安型交换机国内尚属空白。市面上的矿用交换机机只有隔爆型交换机，与其相比，具有一定的先进性和科学性。 本质安全型交换机与隔爆型交换机相比，具有以下技术和功能特点： （1）采用纯本安电路设计技术，提高了井下作业的安全系数。 （2）重量轻、功耗低、集成度高，可开发性强。允许在线测量和带电维护，适合井下便携式作业。 （3）支持多平台网络接入技术，综合了各个平台的优点，规避了它们的缺点。 （4）电源模块的过压、过流保护使得系统的安全性更高。
获奖情况及鉴定结果
- 作品在2010年07月被送往“国家安全生产重庆矿用设备检测检验中心”进行性能和防爆的鉴定。
作品所处阶段
- 生产阶段
技术转让方式
- 该技术已转让于“终南信息技术有限公司”
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 矿用本安型工业以太网交换机以IEM7010处理器为交换核心，并自主研发了矿用本安型485转以太网模块，使矿山监控系统中通过异步串行通信接口RS485协议通信的设备网络化。 本安型矿用工业以太网交换机共有5个以太网接口、两个485接口、两个1000M的光纤冗余环网接口，两个1000M的光纤冗余环网接口用于组建矿区局域网的主干网，使矿山已有的分散、分布式网络系统接入到矿用工业以太网。 目前，政府，煤矿集团，煤矿类大中小企业都投入了大量的人力，财力在研发高科技的矿用安全生产，监测监控系统和各种救护装备。矿用本安型以太网交换机将在矿山信息化建设过程中得到广泛应用，具有广阔市场前景。
同类课题研究水平概述
- 目前国内外的同类课题的研究水平概述如下： 2007年，全国各地区、各煤矿企业认真落实《国务院安委会办公室关于进一步加强煤矿安全监控系统建设和监督管理的通知》。截至2007年底，全国3452处高瓦斯和瓦斯突出矿井全部装备了瓦斯安全监控系统，全国已安装瓦斯监测监控系统装备的低瓦斯矿井12882处，低瓦斯矿井安装率达到87.5%，其中原国有重点煤矿已安装537处，安装率为98.2%；国有地方煤矿已安装1181处，安装率为86.5%；乡镇煤矿已安装11164处，安装率为82.0%。248个产煤县(市)实现区域联网，联网矿井达到9712处，为防范和减少瓦斯事故发挥了一定的预警作用(资料来源：国家安全生产监督管理总局《国家安全生产信息化"十一五"专项规划》)。 目前，全国有53家生产厂家生产瓦斯监测监控系统、有7-8家生产厂家生产集成全矿井综合监测监控系统，真正生产全矿井综合监测监控系统的只有2-3家，他们是：天地科技股份公司常州自动化分公司、江苏三恒科技集团有限公司和北京瑞赛公司。天地科技股份公司常州自动化分公司目前已在全国装配了30多家。我国煤炭工业经过半个世纪的发展，已成为世界第一产煤大国。据专家预测，到2025年以后，由于石油、天然气资源的减少，煤炭在世界能源中的地位还会上升。总体来讲，我国属于贫油富煤国家，煤炭在国家的能源结构中呈刚性变化，预计在21世纪中叶煤炭在一次能源中仍将占45％－50％。所以煤炭仍是事关国民经济可持续发展的基础产业。 为了综合利用这些平台的优点，规避他们的缺点，我们提出一种基于工业以太网的综合性网络平台。这种综合性网络平台利用光纤环网为网络高速高速公路，把RS485网络、模拟视频监控网络、PSTN电话网络、局域以太网巧妙的结合起来，为建设数字矿山、节约一次性建设成本、提高系统的可扩展性提供了良好的物理基础。
