矿用GEPON系统的研究与实现.pdf

第 5期 2 0 0 8年 l O月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Aut oma t i oa No ． 5 0c t ．2 0 0 8 ’ ’ ’ ’⋯ i 技术进步 I． ◆ _ ◆_u ◆ ◆ ’ 文 章编 号 1 6 7 1 ～2 5 1 X 2 0 0 8 0 5 --0 0 4 4 0 4 矿用G E P ON系统的研究与实现 陈荣光 ， 闰晓峰。 ， 李 娟 1 ． 煤炭科学研究总院常州 自动化研究院 ， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 北京恩易通科技有限公司， 北京1 0 0 0 8 0 摘 要 针对 煤矿 综合 自动化 系统 q - 数 字化 工业 电视 信 号、 监测 监控信 息 、 语 音信 息 的综合 传输要 求 ， 结合 国际电讯接 入 网技 术 的发 展 成果 ， 研 制推 出了一种 新 型 综 合监 控 主 干 网络 系统一 一矿 用 GE P ON 系统 。文 章 阐述 了矿 用 GE P ON 系统 的基 本要 求 ， 分析 了各 种备 份 GE P ON 系统 的 结构 特 点 ， 提 出 了一种 兼顾 成本 、 性能、 施工的矿用 GE P ON热备 自愈环。该系统具有成本低 、 宽带、 可靠、 稳定 、 易于安装维护等特点。 关键 词 煤矿 ；综合 自动化 ；传输 ；网络 ；光纤 以 太网 ； GE P ON 中图分 类号 T D 6 5 5 ／ 6 7 3 文献标 识 码 B Re s e a r c h o f M i ne u s e d GEPON Sy s t e m a nd I t s I mp l e me n t a t i o n CHE N Ro n g g u a n g ， YAN Xi a o f e n g ，LI J u a n 1 ． Ch a ng z h ou Aut oma t i on Re s e a r c h I n s t i t ut e of CCRI ．，Ch a ng z hou 21 3 01 5，Ch i na ． 2 ． B e i j i n g En y i t o n g S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Co ．，I t d ．，Be i j i n g 1 0 0 0 8 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t Ai mi ng a t r e q u i r e me nt s o f i n t e g r a t i o n t r a ns m i s s i on o f d i g i t a l s i g na l o f i nd us t r i a l TV ，m o ni t o r i n g a n d c o n t r o l i n f o r ma t i o n，v o i c e i n f o r ma t i o n， a n e w i n t e g r a t e d mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l b a c k b o n e ne t wo r k s ys t e m-- m i n e u s e d GEPON s y s t e m wa s de v e l o pe d c ombi n i ng wi t h d e v e l o p m e nt a c h i e v e me n t o f i nt e r na t i o na l t e l e c omm u ni c a t i on ne t wor k t e c h no l o gy ． The p a pe r e xp ou nd e d b a s i c r e qu i r e me nt of mi ne us e d GEPON ，a n a l y z e d s t r uc t ur e c ha r a c t e r i s t i c s o f ba c ku p GEPON s ys t e m ， a nd pu t f or wa r d a h e a t ba c kup s e l f - c ur e r i ng f o r mi ne us e d GEPON whi c h c o ns i de r i ng c os t ， p e r f o r ma nc e a nd c o n s t r u c t i on ．The s y s t e m ha s c ha r a c t e r i s t i c s s u c h a s l o w c o s t ，wi d e b a nd，r e l i ab l e，s t a b l e a nd e a s y i ns t a l l m e nt a nd m a i n t a i n a n c e ． Ke y wo r d s c o a l mi n e ，i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n，t r a n s mi s s i o n，n e t wo r k，o p t i c ～ f i b e r Et h e r n e t ，GEP ON 0 引言 煤 矿 综合 自动 化 是 最 近几 年 的 热 门话 题 ， 煤 矿 企业期望通过煤矿综合 自动化 的改造或建设 ， 实现 安全、 高效生产。煤矿综合 自动化系统 的体系结构 以建立一个综合监控主干网络 系统平 台、 各监测监 控子系统就近接入该平台模式为主流。 综合 监控 主干 网络 系统有 多 种结 构 模式L 1 ] 一 种是专用工业控制 C o n t r o l Ne t 网， 其在我 国煤矿 应用最早 ， 但 由于其 开放性不够 ， 信息传输 速率较 收稿 日期 2 0 0 8 ～0 5 2 1 作者简介 陈荣光 1 9 6 3 一 ， 男 ， 高级工 程师 ， 1 9 8 5年毕 业于安 徽理工大学 电气 自动化专业 ， 现在煤炭 科学研究 总院常 州 自动化研 究 院从事科研开发和管理工作 。 低， 有逐步被淘 汰的趋势 ； 一种是矿用工业 以太环 网 ， 其 推 出后 ， 由于 开放 性好 、 信息 传输 速率 高 ， 近几 年 已得 到 煤矿 用 户 的 广泛 认 同 。以上 系统 模 式 ， 有 一 个共同点 ， 它们不 能或不太适合大量传输工业 电 视信号。而工业 电视监控系统已广泛应用于各类煤 矿， 单个煤矿摄像机装备数量多达 5 O ～6 O个 ， 且还 有增多趋势。模拟传输式工业电视系统运行 的可靠 性随着光缆芯数 的增加而降低 ； 数字式工业 电视 系 统 ， 对 网络传输 系统 的实时性要求很高 。有些煤矿 装备 2套矿用工业 以太环 网系统 ， 分别传输数字化 工业电视信号和监测监控信号， 以避免工业 电视信 号干扰监测监控信号 ， 系统造价很高 ， 维护工作量也 增大 。 针对煤矿综合 自动化系统中数字化工业电视信 2 0 0 8年 第 5期 陈荣光 等 矿 用 G E P O N 系统 的研 究与 实现 4 5 号传输频带宽 、 实时性要求 高， 监测监控 、 语音信息 流量不大 ， 但实时性、 可靠性要求高等特点 ， 结合 国 际电讯接入网技术 的发展成果 ， 煤炭科学研究 总院 常州 自动化研究院研究开发了一种新型综合监控主 干网络系统矿用 G E P ON系统 ， 它具有成本低 、 宽带 、 可靠 、 稳定、 易于安装维护等特点 ， 特别适合于 综合传输视频 、 数据、 语音等信息 。本文主要研究矿 用 GE P ON系统的基本要求及其各种拓扑结构 ， 提 出了一种 兼顾 成本 、 性 能 、 施 工 的矿 用 G E P ON热 备 自愈 环 。 1 G E P O N 系统 结构及 特点 G E P ON是 一 种 采 用 点 到 多 点 网 络 结 构 、 无 源 光纤传输方式 、 基于高速以太 网平 台和 T D M T i me D i v i s i o n Mu l t i p l e x i n g 时 分 MA C Me d i a A c c e s s C o n t r o 1 媒体访问控制方式并能提供多种综合业务 的宽带接入技术 。 GP ON 最 基 本 的 特 点 是 采 用 无 源 分 光 器 和 光 纤构 成点 到 多点 光 网络 ， 其基 本 的 网络 结 构 是 基 于 光功率分配的树形分支拓扑， 如图 1所示 。 广] 艘光 妣 奸 I O “ 2 1 I O N U 4 1 分 支 光 ＼ 图 1 GPON 的树 形 分 支 拓 扑 结 构 图 从 图 1 可 以看 出 ， 典 型的 GP ON 由光 线路 终端 OL T 、 光分 配 网络 OD N 和 光 网 络 单 元 ONU 组成 ， OD N 由多段光纤和多个分光器组成 ， 光纤按 所处 位置 分为 主 干光纤 、 支 干光 纤 和分支 光纤 。 I T的一个光 口一般能接 3 2台 0Nu， 假设如 图 1所示 接 了 8台 ONU， 那 么其 网络各部 件 的系统 存 活 率 S 如 表l 所 示 。 S 一 N N ／ N1 0 0 ， 其中 N为 ONU数量 ， N 为某部件 X故 障引起 O NU 的失 效数 量 。 由表 1可见 ， OL T和主干光纤故障失效的系统 存活率为零 ， 其故 障将 导致全 系统 瘫痪 。而 ONU 和分支光纤故障失效 的系统存活率最高， 其故障只 导致 自身通信 中断。支干光纤和分光器故障失效的 系统存活率和位置有关 ， 靠近主干的系统存活率低 ， 远 离 主干 的系 统存 活率 高 。 需要说明的是本系统存活率数据只考虑 1 个故 障 ， 对多个故障， 系统存活率还和位置有关 ， 一般 同 表 1 图 1中部件的系统存活率 s 表 失效部件 存 备注 时发生多个故障的概率较低。 2 矿用 G E P ON系统的基本要求 由上述 分析 可 知 ， 常 规 的 G E P ON 系 统 主 要 部 件系统存活率为零 ， 不能用作为煤矿综合 自动化的 主干传输平台， 因为煤矿综合 自动化 的主干传输平 台要承载工业 电视 、 监测监控 、 语音等多种信息 ， 通 信中断影响太大 。一般来说 ， 对矿用 G E P O N 系统 要 考虑 以下基 本 要求 。 2 ． 1工业应 用环境 适应 性 煤矿井下工作环境较为恶劣 ， 有易燃易爆气体 和腐蚀性气体， 还有空气潮湿 、 局部淋水 、 矿尘大、 电 网电压 波动 大 、 电磁 干扰 严 重 、 空 问 狭 小 、 设 备 要移 动 ， 但 环 境 温 度 较 稳 定 。因 此 ， 电气 设 备 要 考 虑 防 爆 、 防尘 、 防潮 、 防霉 、 防腐 、 抗震动 、 抗 冲击、 抗电磁 干扰 等 措施 。 2 ． 2 系统 可靠性 系统设备发生故障是很难避免的， 因此 ， 高可靠 性 系统关 键 设 备 一 定 要 考 虑 备 份 ， 实 现 冗 余 保 护 。 备份分热备和冷备 ， 热备 自愈时间短 ， 系统造价高 ， 冷备 白愈时 间长 ， 系统经 济性好 ， 采用哪种备用方 式 ， 要综合 考 虑 。 由表 l 可 知 GE P ON 系 统 中 OL T 和 主干光 纤是 最关 键 的设备 。 2 ． 3信 息传 输 实时性 煤矿综合监控 系统视频 、 数据 、 语音等信息 中， 视频信息实时性要求最高 ， 为保证较好 的数字图象 质量 ， 图象清晰度应不低于 7 0 4 5 7 6 ， 帧率为 2 5帧 P AL制 ， 延 时 小 于 1 S 。实 现 该 技 术 指 标 ， 采 用 MP E G--2图象压缩标准 的数字视频信号 ， 每路最 高带 宽 为 8 Mb p s ； 采 用 H． 2 6 4图 象 压 缩标 准 的数 字视频信号 ， 每路最高带宽为 2 Mb p s 。一般煤矿工 业 电视容 量要 考虑 1 0 0路 ， 那 么 ， 对 MP E G--2图象 4 6 工 矿 自动 化 2 0 0 8年 l O月 压 缩标 准 的数 字 视 频 信 号 ， 网络 要 提 供 8 0 0 Mb p s 的有效流量 ， 对 H． 2 6 4图象压缩标准的数字视频信 号 ， 网络要 提供 2 0 0 Mb p s 的有 效流 量 。 2 ． 4 系统使 用 方便 性 G E P ON系统技 术很 复 杂， 将其 应用 于煤 矿 ， 一 定要解决其安装 、 使用、 维 护的方便性问题 ， 系统 应有网络管理功能， 包括网络参数 、 功能的设置与修 改、 故障的在线检测与报警 。 2 ． 5 系统设 备 经济性 在考虑以上几个基本要求时， 还要兼顾经济性 。 和 同类 功 能 系统 相 比 ， 矿 用 GE P O N 系统 性 价 比应 该 比较高。例如 ， 从提高系统可靠性角度看 ， 系统 中 OL T、 O DN、 O NU 都 应 备 份 ， 但 这 样 会 造 成 系 统 十分 复 杂 ， 成 本 高 昂 ， 很 难 推广应 用 。 3 备份 G E P ON 系统结构 分 析 备 份 G E P ON 系统 网 络 结 构 有 很 多 种 ， 下 面 分 析几种较典型的适合煤矿应用 的网络结构 。 3 ． 1 端到 端双 重备份 自愈 树 这是 最 完 备 的 双 重 配 置 GE P ON 网 络， 其 OL T、 O DN、 ONU 光收发器 都是双备份 ， 除 ONU 接 口外 ， 任何一个部件故障失效 ， 都不会 中断系统通 信 ， 自愈恢复时间小于 5 0 ms ， 但系统成本较高 ， 应 用量很小 ， 目前还没有厂家推出该类系统。事实上 ， ONU 的系统 存 活 率 较 高 ONU 装 备 愈 多 ， 系 统 存 活 率 愈高 ， 很 多场合 如 工业 电视 接入 点 是不 需要 ONU备份的。端到端 双重备 份 自愈树结构 如图 2 所示 。 图 2 端 到端双重备份 自愈树结构 图 3 ． 2 共 享 OD N 备份 自愈 树 这是一种低成本的备 份 GE P O N 解决方案， 系 统存活率较高 的 O NU 都不需进行备份 ， 仅对主干 光纤 、 支干光纤 、 分光器、 OL T光 口进行备份 ， 系统 优 点是 成本低 ， 分 支灵 活 ， 缺点 是 分 光 器 、 光 缆 施 工 复杂 ， 同时系统只能实现冷备工作 ， 当工作 O DN 出 现故 障， 切 换 到 备 用 oD N 时 ， 系 统 需 重 新 注 册 0Nu， 自愈恢复时 问为秒级。共享 O DN备份 自愈 树 结构 如 图 3 所 示 。 图 3共享 0 DN备份 自愈树结构 图 3 ． 3端到 端双 重备份 自愈 环 环形线路具有分光器易标准化、 光缆施工简单 的优点 ， 但端到端双重备份 自愈环和端 到端双重备 份 自愈树一样 ， 系统成本很高 ， 用户很少。端到端双 重备份 自愈环结构如图 4所示 。 图 4端 到 端 双 重 备 份 自愈 环 结 构 图 3 ． 4 共 享 O DN备 份 自愈环 这是 一种 低成 本 的 GE P ON 自愈 环 ， 具 有 分 光 器易标准化、 光缆施工简单 、 成本低 的优点 ， 但 系统 只能实现冷备工作 ， 自愈恢复时间为秒级 ， 当系统对 自愈恢复时 间无严 格要求时 ， 这是一种优 选方案。 共享 ODN备 份 自愈环 结构 如 图 5 所 示 。 图 5 共 享 O D N备份 自愈环结构图 4 矿 用 O L T和 O D N热 备 G E p o N 自愈环 上述几种备份 GE P ON系统都不能完全满足矿 用 GE P ON 系 统 的 基 本 要 求 ， 端 到 端 双 重 备 份 GE P O N系统可以满足可靠性要求 ， 但缺乏经济性 。 共享 OD N GE P ON系统能满足经济性等要求 ， 但又 不能实现热备 ， 不 能满足数据传 输的实 时性要求 。 因此， 最 理 想 的方 案 是 综 合 图 4 、图 5所 示 的 G E P O N， 在图 4中只对部分重要 ONU进 行备份 ， 其余 ONU 不进行备 份， 遗憾 的是， 目前受条 件 限 2 0 0 8年 第 5期 陈 荣光等 矿 用 G E P O N 系统 的研 究与 实现 4 7 制 ， 还难于实 现 。图 6 是 一种 满足 矿用 G E P O N 系统 基本要求的次选方案 ， 它在共享 O D N备份 G E P O N 自愈环基础上 ， 设计 了 OL T设备冗余控制器和光纤 线路冗余控制器， 实现了共享 O D N备份 G E P ON 自 愈环的热备工作 ， 自愈恢复时间小于 1 0 0 ms 。 图 6 OI T和 OD N热备 自愈环 结构图 4 ． 1 矿 用 光 网 络 终 端 ONT ONT是系统关 键产 品之 一 ， 其配置 了 以太 网 口、 RS 4 8 5等多种接 口， 接 口插座采用 工业应用设 计 ， 抗振耐用； 整机为本质安全型防爆设备 ， 安装使 用方便 I 夕 壳达到 I P 5 4防护等级 ， 防潮防尘 ； 电路进 行 了 E MC设计 ， 设备抗电磁干扰能力强。 4 ． 2 系统 冗余 技 术 系统除 O NT和分支光纤外 ， 都设计 了备份 ， 即 OL T、 冗余控制器 、 主干光纤 、 分光器 中任何一个设 备或器件出现单个故障 ， 都不会中断系统通信 ， 自愈 恢 复 时问小 于 1 0 0 ms 。 系统设计 了 4个 热备 自愈 环 2台 OI T， 1台为 主机， l台为备份 ， 每个 自愈环独立工作 ， 和单环相 比， 可靠性进一步提高。 4 ． 3主要技 术 指标 矿 用 GE P ON 系 统 的 线 路 通 信 速 率 为 1 ． 2 5 Gb p s ， 其下 行 采 用 广 播 发 送 ， 上 行 采 用 T DM 通信方式进行通信 ， 保证 了信息传输的实时性 ， 一般 能保证 6 0 0 Mb p s的有效流量 ， 可同时传输 3 0 0路 以 H． 2 6 4标准压缩的高清晰数 字视频信号 ， 监控数 据传输延时小于 2 ． 5 ms 无线路故障 ， 每个 自愈环 最多 可接 1 O台 ONT， 主 干最 远 传 输 距 离 为 1 0 k m， 支线最远传输距离为 1 5 k m。 4 ． 4 系统 管理 与设计 系统专 门开发 了汉化 的简易网络管理软件 ， 使 用非常方便。对复杂的 OD N分光器分光 比工程计 算特别进行 了标 准化设计 ， 每个 自愈环设计 了 1 ～ 1 0号标准化的分光器 ， 工程技术人员只需按顺序选 号即可 ， 光缆距离不需要专 门计算 。 5 结语 将煤矿各生产环节监测监控子系统就近接人高 可靠性 、 高速率的综合监控主干网络是必然 的发展 趋势 ， 其具有降低 系统总体造价、 安装使 用方便 、 提 高系统运行 可靠性 等优点。本文介 绍 的矿用 GE P ON系统是力求实现该 目标 的一种解决方案 。该 系统 已成功应用于平煤集团十二矿信息化改造项 目 中， 用作为井下综合监测监控系统主干传输平 台， 其 传输的 1 6路高清晰数字化工业电视信息实时流畅。 参考文献 E l i 胡穗延 ．煤矿 自动化 和通讯 技术 现状与 发展趋 势[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 7 8 ． [ 2 ] 全 弘林 ．B P ON生存性 分析及可存 活 网络 拓扑 的研究 [ J ] ． 光通信技术 ， 2 0 0 3 9 、 1 0 ． 欢迎订 阅 工矿 自动化 杂志 工 矿 自动 化 杂 志 原名 煤 矿 自动 化 创刊 于 1 9 7 8 年 ， 是一份 以报道 煤矿及其它工矿企业生产过程 自动化与 电 气化为 中心 内容 的专 业性技 术期 刊 ， 系全 国中文 核心期 刊 、 中国科技核心期刊 、 中 国期刊网全文收 录期 刊。 工矿 自动化 杂志以传播科学技术知识、 为工矿企业生 产和建设服务为宗 旨。杂志 主要报 道 内容 工矿环 境安 全 、 设 备状 态监测监控技 术 、 生 产过 程 自动 化技术 、 电力调 度监 测 监控技术 、 通信 与信 号技术 、 工矿 用传感器及仪器 、 仪表技 术 、 工矿用 电子产 品测 试与 标准化 技术 、 计算 机在 工矿 领域 的应用技术 、 工矿 电气 节能技术等 。 工矿 自动化 杂志的主要读者对象 为煤 炭、 石 油、 化工 、 冶金 、 电力 、 水利 、 铁道 、 制造 等行 业相关 技术 领域 的设计 研 究人员 、 工程技术人员 、 管理人员及大 中专 院校 师生 。 工矿 自动 化 杂 志 现 为 双 月 刊 ， 2 0 0 9年 1月起 改 为 月 刊， 大 1 6开本 ， 邮发代号 为 2 8 ～1 6 2 ， 欢迎 订阅 。 本 刊承 接广告业务 ， 欢迎 刊登 地址 江苏省常州 市木 梳路 1号 工矿 自动化 编辑部 邮编 2 1 3 0 1 5 电话 O 5 1 9 8 6 9 9 8 5 1 5 ， 8 6 9 9 8 0 9 8 ， 8 6 9 9 8 2 1 7 传真 0 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