基于工業(yè)環(huán)網(wǎng)在煤礦業(yè)的應用

任宏

山西省介休市汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司信息中心 032000

基于工業(yè)環(huán)網(wǎng)在煤礦業(yè)的應用

任宏

山西省介休市汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司信息中心 032000

近年來，建立完整的煤礦大型設(shè)備實時監(jiān)測系統(tǒng)，逐步整合煤礦安全生產(chǎn)中各類信息成為趨勢, 其中一種方法就是利用現(xiàn)有網(wǎng)絡技術(shù)建立信息傳輸,為煤礦安全生產(chǎn)中各子系統(tǒng)的整合提供方便、快捷、安全的“高速公路”, 即工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。

應用; 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng); 系統(tǒng)接入

1 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)建設(shè)的必要性及要求

簡言之工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)是將以太網(wǎng)技術(shù)應用于工業(yè)控制和管理的局域網(wǎng)技術(shù),通過網(wǎng)絡交換支持對光纖環(huán)路的自動檢測，當環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡上設(shè)備故障或一個方向光纜斷傳時, 能迅速切換到備用鏈路, 保證數(shù)據(jù)信息的可靠傳輸。

根據(jù)礦井安全生產(chǎn)實際需求, 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)建設(shè)完成后能夠?qū)θV井各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)工況信息和視頻信息在一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡平臺運行，能夠使不同功能的應用系統(tǒng)聯(lián)系起來。同時, 能夠?qū)θV井安全生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)設(shè)備進行實時監(jiān)測和必要的控制, 實現(xiàn)全礦井的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)調(diào)度、決策指揮的信息化、集中化, 為企業(yè)信息化的應用和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

我礦采用三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，整個環(huán)網(wǎng)平臺分別在地面、井下各布置一個千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，地面環(huán)網(wǎng)和井下環(huán)網(wǎng)通過核心交換機的接為互為備份的整體。使得環(huán)網(wǎng)通信的故障切換時間得以保證。環(huán)網(wǎng)傳輸介質(zhì)采用室外單模光纜，地面采用24芯單模通信光纜，井下采用24芯阻燃單模通信光纜。

在調(diào)度指揮中心機房配置2臺支持三層動態(tài)路由功能的核心交換機。地面環(huán)網(wǎng)接入交換機、井下防爆交換機分別與核心交換機連接。

平臺由以下設(shè)備組成：2臺核心交換機、2臺采集服務器、1臺數(shù)據(jù)服務器、1臺WEB服務器、1臺應用服務器、1臺工程師站、10臺客戶端、1臺防火墻、1臺網(wǎng)閘、1臺UPS電源、1臺打印機、服務器機柜、網(wǎng)絡機柜及各子系統(tǒng)上位機等設(shè)備。

采集服務器、數(shù)據(jù)服務器、各子系統(tǒng)上位機、工程師站、操作員站、客戶端等設(shè)備均直接接入調(diào)度指揮中心的2臺核心交換機上。井下各監(jiān)控設(shè)備就近接入環(huán)網(wǎng)交換機。

全網(wǎng)建成后的性能可以保證達到以下水平：全網(wǎng)交換機連接基于單模光纖傳輸；光纖網(wǎng)絡中的任何位置發(fā)生一個斷點事故均可在瞬間內(nèi)完成鏈路通信的恢復；全網(wǎng)基于統(tǒng)一、簡潔的網(wǎng)絡管理。拓撲圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)拓撲圖

3 地面環(huán)網(wǎng)交換機設(shè)計

地面環(huán)網(wǎng)接入交換機布置于副斜井絞車房、副立井絞車房；地面環(huán)網(wǎng)交換機布置于二采通風機房、主斜井皮帶監(jiān)控室、壓風機房、新建6KV變電所、洗煤廠、地磅房、動篩車間；由于地理環(huán)境限制矸石山6KV變電所、舊瓦斯抽放泵房、獨胡峁通風機房、獨胡峁瓦斯抽放泵房環(huán)網(wǎng)交換機獨立于地面工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的分支交換機。副立井絞車房環(huán)網(wǎng)接入交換機將采用MS4128-L2P環(huán)網(wǎng)交換機與監(jiān)控中心核心交換機耦合，其他地面環(huán)網(wǎng)交換機采用RS30-0802O6O6SDAEHC。地面共設(shè)置2臺地面環(huán)網(wǎng)接入交換機，12臺地面環(huán)網(wǎng)交換機。

4 井下環(huán)網(wǎng)交換機設(shè)計

井下環(huán)網(wǎng)交換機布置于集中皮帶變電所、三采一段變電所、三采二段變電所、三采三段變電所、三采4＃二段變電所、三采4＃一段變電所、中央水泵房、中央變電所、二采4＃一段變電所。

5 網(wǎng)絡平臺安全性設(shè)計

網(wǎng)絡安全問題一般分為三類：第一類是網(wǎng)絡入侵，包括外部網(wǎng)絡上和內(nèi)部網(wǎng)絡上的入侵，需要利用網(wǎng)絡安全設(shè)備進行控制，第二類是操作者不當行為，需要通過制定管理制度進行解決。第三類是由于網(wǎng)絡規(guī)劃不合理或網(wǎng)絡設(shè)備自身引起的網(wǎng)絡安全問題，解決這類問題，網(wǎng)絡設(shè)計中需要考慮網(wǎng)絡設(shè)備安全、物理線路及TCP/IP的安全性下面就這幾個問題進行分析。

5.1 網(wǎng)絡設(shè)備可靠性

煤礦行業(yè)的特點決定整個系統(tǒng)的各個設(shè)備必須適應惡劣的工作環(huán)境，井下設(shè)備考慮到高溫，粉塵、防爆的要求。核心交換設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的熱備與負載均衡，冗余可靠；井下設(shè)備選用國際知名品牌；為數(shù)據(jù)采集配備數(shù)據(jù)采集服務器、為數(shù)據(jù)庫配備數(shù)據(jù)庫服務器、為數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)可靠性配備了海量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。

5.2 物理線路可靠性

考慮到井下除了高溫、粉塵外還存在大型設(shè)備發(fā)出的大量電磁干擾，我礦地面采用24芯單模通信光纜，井下采用24芯阻燃單模通信光纜，可獲得較長的通信距離及較強的抗干擾能力。

5.3 網(wǎng)絡層的安全

網(wǎng)絡層安全系統(tǒng)設(shè)計主要是要保證應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在不同的路由設(shè)備和網(wǎng)段之間可靠的傳遞，以及控制內(nèi)部網(wǎng)絡各VLAN的訪問。為了網(wǎng)絡層的安全性，核心交換機應能從以下幾個方面給予保障：

1）對于使用網(wǎng)絡設(shè)備用戶可以設(shè)置不同的用戶權(quán)限，如“系統(tǒng)管理員”和“管理員”兩種訪問權(quán)限。系統(tǒng)管理員訪問權(quán)限則允許用戶對交換機配置進行修改，管理員訪問權(quán)限允許用戶在交換機上查詢某些信息但無法對交換機進行配置。

2）通過對網(wǎng)絡設(shè)備的配置，使得只能由某個IP地址的網(wǎng)管工作站對網(wǎng)絡設(shè)備進行網(wǎng)絡管理和讀寫操作。

3）網(wǎng)管人員可為一個端口分配一個單一MAC地址或一組MAC地址，防止未經(jīng)授權(quán)的用戶插入到開放的RJ45口，為幫助網(wǎng)絡防范拒絕服務性持的攻擊，網(wǎng)絡交換機應可禁止轉(zhuǎn)發(fā)ICMP Ping消息，可啟用對ICMP和TCP SYN包執(zhí)行速度限制。

6 環(huán)網(wǎng)交換機選型說明

1）成熟性和可靠性

提供高速、可靠地多種服務，提供高速、高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，具有較高的網(wǎng)絡集成管理與控制能力，保障可靠傳輸，具有多路徑迂回和主機備份能力。

2）先進性

為保證系統(tǒng)能夠適應未來的網(wǎng)絡發(fā)展，通信系統(tǒng)中的硬件、軟件及網(wǎng)絡協(xié)議都應采用與國際標準兼容的開放協(xié)議，具有較長的生命周期。

建成的網(wǎng)絡，要求具有先進、經(jīng)濟、高效、可靠和網(wǎng)絡管理技術(shù)，能夠全面實施網(wǎng)絡監(jiān)控，支持整個網(wǎng)絡，包括網(wǎng)絡設(shè)備全方位的監(jiān)視和管理，并支持VLAN技術(shù)，保障信息安全和網(wǎng)內(nèi)安全等級的劃分需要。

3）高性能可擴展

支持高速以太網(wǎng)絡技術(shù)，支持網(wǎng)絡的再擴展，使網(wǎng)絡方便地可擴展容量，增加最新網(wǎng)絡技術(shù)，保證整個網(wǎng)絡和高性能和先進性。

總之環(huán)網(wǎng)交換機必須采用RSTP（快速生成樹）、STP（生成樹）技術(shù)。由于生成樹技術(shù)需要所有交換機必須根據(jù)相應的計算方式尋找邏輯樹。故采用快速生成樹的計算方式，一般需要幾秒到幾十秒。同時在計算機生成樹的過程各鏈路處于完全斷開狀態(tài)。根據(jù)這些因素，選擇全世界頂級工業(yè)級環(huán)網(wǎng)交換機德國赫思曼交換機。該交換機在網(wǎng)絡切換中數(shù)據(jù)延遲小于300ms。同時赫思曼工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機的端口轉(zhuǎn)發(fā)延遲較其它品牌交換機要低，只有30us左右。通過了歐洲“勞斯”認證的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品制造商，它的產(chǎn)品能在磁場干擾，環(huán)境高溫以及機械方面的惡劣環(huán)境下正常工作。在冗余及高可靠性方面，赫思曼交換機相對于其他品牌的產(chǎn)品具有極大的領(lǐng)先優(yōu)勢。

赫斯曼產(chǎn)品特點：有工業(yè)級核心交換機，可以建立多環(huán)，系統(tǒng)帶寬隨環(huán)數(shù)倍數(shù)增加，方便擴容支持環(huán)網(wǎng)冗余、環(huán)間耦合、環(huán)相切等獨特功能來保證其可靠性。

因此，以太環(huán)網(wǎng)平臺環(huán)網(wǎng)交換機選型如下：

監(jiān)控中心核心交換機選用：MACH4002-48G-L3P；地面環(huán)網(wǎng)接入交換機選用：MS4128-L2P；地面環(huán)網(wǎng)交換機RS30-0802O6O6SDAEHC；井下環(huán)網(wǎng)交換機選用：KJJ137防爆交換機（配備MS4128-L2P模塊）。

7 實現(xiàn)的功能

1）整個自動化綜合控制網(wǎng)采用赫思曼工業(yè)級的設(shè)備，實現(xiàn)井下高溫、高濕等惡劣環(huán)境的穩(wěn)定運行；

2）異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，本網(wǎng)絡提供了多種符合國際主流標準的接口方式，便于各種子系統(tǒng)的接入，實現(xiàn)最大限度的信息共享。能夠集成不同廠家的硬件設(shè)備和軟件產(chǎn)品，實現(xiàn)各系統(tǒng)間互操作，并將各系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成；

3）光纖冗余環(huán)網(wǎng)傳輸平臺運行穩(wěn)定、可靠性好。光纜故障不影響數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)光纖冗余環(huán)網(wǎng)傳輸平臺通訊協(xié)議采用標準的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議；

4）整個網(wǎng)管系統(tǒng)可對工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的所有的網(wǎng)絡設(shè)備進行實時監(jiān)控，出現(xiàn)故障實時報警；

5）環(huán)網(wǎng)傳輸速率高、帶寬容量大、傳輸距離遠、抗干擾和雷擊能力加強。為數(shù)據(jù)、語音、視頻、三網(wǎng)合一提供了足夠的帶寬；

6）設(shè)計環(huán)網(wǎng)內(nèi)所有的服務器配置高性能的全硬件冗余功能；

7）交換機支持廣播報控制協(xié)議，可以設(shè)定交換機每個端口允許的廣播包數(shù)量，保證網(wǎng)絡的傳輸性能；

8）井下交換機經(jīng)過防爆認證，具有MA，同時增加UPS電源保護，在市電停電后，可運行兩個小時以上；

9）由于以Internet/Intranet/Infranet為整體構(gòu)架，具有開放的傳輸接入平臺，今后礦井各種自動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)均可方便就近接入，易于擴展，無須重復布線，節(jié)約投資；

10）環(huán)網(wǎng)核心交換機具有路由功能的卡軌式模塊交換機。核心交換機有相對獨立的模塊插槽，每個模塊插槽能夠配置一塊引擎模塊，引擎模塊上的子卡插槽，可以配置不同種類的網(wǎng)絡接口卡；

11）交換機支持流量控制功能，防止廣播風暴；支持端口的優(yōu)先級劃分和虛擬網(wǎng)絡（VLAN）劃分；支持端口和MAC地址的綁定，提高系統(tǒng)安全性。；

12）交換機管理軟件要求能統(tǒng)一配置、管理、監(jiān)視所有交換機，交換機端口有網(wǎng)線斷線自動報警功能；在更改設(shè)備配置時只要在網(wǎng)管工作站對相關(guān)設(shè)備進行合適配置；

13）環(huán)網(wǎng)交換機支持多光口、電口混合連接，支持Web管理。

8 結(jié)語

通過礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的建設(shè), 為我礦各監(jiān)控子系統(tǒng)的接入與整合提供了信息傳輸?shù)?“高速公路”; 為各子系統(tǒng)的硬件接入提供了多類型的接口, 極大地方便了系統(tǒng)的接入;為礦井綜合監(jiān)控信息系統(tǒng)的整合奠定了堅實的基礎(chǔ), 也為大型現(xiàn)代化礦井信息系統(tǒng)的整合提供了一個嶄新的解決方案。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.031