工業以太網在煤礦綜合自動化系統中的應用

袁鵬偉

（河南能源化工集團永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600）

1 煤礦自動化、信息化系統骨干—工業以太網

隨著自動化、信息化技術的發展，煤礦井下各類聯網設備逐漸增多，如監測監控系統、人員定位系統、無線通信系統、IP網絡廣播、視頻監控等信息化系統以及電力監控、皮帶集控、泵房自動化、主通風機在線監測、壓風機自動控制、主提升機監控等生產過程自動控制系統在煤礦中得到了廣泛的推廣應用。因此建立一套統一的網絡平臺，實現各系統數據的傳輸和共享，避免重復投資和浪費，同時保證高可靠性顯得尤為重要，工業以太網系統使用的是透明而統一的TCP/IP協議，可與各類設備以太網接口兼容，帶寬可達到1 000M以上且軟硬件成本低廉，硬件設備可靠性高，能實現工業控制網絡與企業信息網絡的無縫連接，形成企業級管控一體化的全開放網絡，成了煤礦企業綜合自動化建設的首選網絡平臺。本文以西門子SCALANCE工業以太網為例，闡述了工業以太網在煤礦行業的典型應用［1-2］。

2 煤礦網絡平臺規劃

西門子SCALANCE交換機支持HSR和MRP兩種環網冗余方式，可以通過HSR及MRP冗余協議方便地實現環形拓撲，實現網絡的高可靠性，避免單點線路故障造成的網絡癱瘓。同時還支持基于Standby技術的環間冗余，實現環與環之間的冗余連接。因此，煤礦可根據地面工業廣場及井下采區分布，設置不同的冗余子環，通過冗余鏈路連接至中心機房主干環網中。圖1為某一煤礦典型的環網配置。

井筒上下共分為調度中心機房千兆環網、地面工業廣場千兆環網、井下南翼采區千兆環網、井下北翼采區千兆環網4個子環，各個子環內交換機之間采用HSR（High Speed Redundancy Ring）協議搭建冗余環網，地面調度中心環網為主干環網，負責調度中心各自動化系統服務器的接入，其他3個子環通過Standby方式連接到調度中心環網，實現環間冗余連接。通過下圖可見，井上下所有交換機均可通過兩條鏈路與其他交換機連接，整個網絡內出現任意一點線路中斷或單個交換機故障，網絡內其他地點交換機仍可正常使用，從而實現了整個網絡的高可靠性。

3 子系統業務VLAN劃分

VLAN即虛擬局域網（Virtual Local Area Network），是一種通過將局域網內的設備邏輯地而不是物理地劃分成一個個VLAN從而實現虛擬工作組的技術。VLAN是為解決以太網的廣播問題和安全性而提出的，它在以太網幀的基礎上增加了VLAN Tag，用VLAN ID把用戶設備劃分為不同的虛擬工作組，限制不同工作組間的用戶二層互訪，每個工作組就是一個虛擬局域網，可以限制廣播范圍，并能夠形成虛擬工作組，動態管理網絡。

煤礦井下設備分布極為分散，同一系統的設備往往分散在礦井各個采區及工作面，因此根據各系統實際情況，將各系統內的設備劃分不同的業務VLAN，極大降低網絡負載、控制網絡流量、簡化網絡管理、提高網絡的安全性，同時降低整體網絡投資。西門子工業以太網交換機支持基于端口的優先級，可根據設備的重要性保證重要數據優先傳輸，通過基于端口的QoS（服務質量）控制，可根據交換機端口設置多達8個優先級，當網絡中圖像、聲音、控制數據等大量種類不同的數據同時通過工業以太網傳輸時，保障重要數據優先被傳輸，極大地降低網絡延遲，有效地控制和監視現場設備［3］。

根據煤礦綜合自動化系統典型應用，可將各VLAN劃分如表1所示：

4 交換機路由配置

根據各系統應用將網絡劃分為若干個VLAN，可大大降低網絡負擔，提高網絡安全性，但VLAN限制了各系統間的數據訪問，SCALANCE X414-3E交換機支持三層交換技術，可通過配置路由來實現各個網絡間的訪問。如圖1所示，交換機S1和S2作為整個網絡的核心路由，通過VRRP組成虛擬路由器，實現各業務VLAN間的數據訪問。路由配置如表2所示：

5 虛擬路由冗余VRRP

VRRP（虛擬路由冗余協議）是一種容錯協議，它保證主機的下一路由器故障時，可及時地有另一臺路由器來代替，從而保證通訊的連續性和可靠性。如圖1所示，使用VRRP將S1和S2組成虛擬路由器組，正常情況下S1的路由協議處于工作狀態，S2處于備用狀態，S1故障時，S2接管路由協議，保證網絡正常工作。S1和S2分別有一個虛擬路由地址一個虛擬MAC地址，網絡上的主機與虛擬路由器進行通信，而無須知道網絡中物理路由器的任何信息。當主路由器S1工作時，會每隔一段時間發送一個VRRP組播報文，通知組內的備份路由器主路由器處于正常工作狀態，當組內的備份路由器S2長時間沒有收到來自主路由器的報文，則將自己轉為主路由器。

表1 煤礦工業以太網網絡劃分

表2 網絡路由配置

6 基于HSR的環網配置

如圖1所示，根據煤礦綜合自動化各系統業務劃分及設備將整個網絡劃分為4個子環，每個子環間交換機組成環形拓撲，各臺交換機通過冗余環口進行連接。其中1臺交換機作為RM（冗余管理器），在網絡正常的情況下，RM的一個冗余環口會處于邏輯斷開狀態，這樣整個網絡處于線性結構，RM負責監控環網狀態，當網絡上有物理線路斷開或交換機故障，RM管理器會監測到網絡異常，同時通過一個替代路徑恢復另外一種線性結構。SCALANCE交換機支持基于HSR的環網協議，在單個環網內交換機小于50臺的全負荷狀態下，網絡重構時間小于300ms，故障排除后，可恢復原先的環形結構，保證網絡不受影響。

7 基于Standby技術的環間熱備

SCALANCE交換機支持Standby冗余技術，可實現環間的網絡冗余連接。通過2臺交換機各自連接到另一個環網，如圖1所示，S3和S4同時與其他3個子環連接，正常狀態下，S3和S4通過網絡交換數據來同步自身的運行狀態，其中S3作為MASTER,S4作為SLAVE,在網絡正常情況下，僅有S3（MASTER）與另外環網間的連接處于激活狀態，環網之間通過該激活的連接完成數據通訊，當與MASTER的連接斷開時，SLAVE會自動將連接激活,這時兩個環網間的數據通訊就通過S4（SLAVE）的連接來完成。如果S3恢復正常，自動激活S3與環網之間的連接，S4進入備用狀態。

8 基于SNMP的網絡監控與管理

SNMP（Simple Network Management Protoco）是基于UDP的一種協議，專門用于網絡管理。SNMP保證管理信息在任意兩點間傳送，便于網絡管理員在網絡上的任何節點檢索信息，進行修改和尋找故障，完成故障診斷。SCALANCE工業以太網交換機支持SNMPV1/V2/V3，可以與WinCC等其他組態軟件兼容，在監控系統中顯示整個網絡運行狀態，通過SNMP OPC的方式來管理和診斷，實時顯示工業以太網交換機工作狀態。

9 結語

隨著自動化、信息化技術的發展，多數煤礦已安裝或即將建設多種自動化系統。這些監測監控系統大多是在不同階段建設，處于相互獨立的狀態。因此，為了從系統工程的角度對礦山進行統一的自動化管理，防止“信息孤島”現象，有效整合各種資源，發揮自動化集成的最大效益，工業以太網的高可靠性和兼容性成為了最佳選擇，并將在煤礦綜合自動化建設中發揮更大作用。

［1］謝希仁.計算機網絡［M］.北京：電子工業出版社，2008.

［2］曹茂虹，徐釗，楊芬，等.基于工業以太網的煤礦綜合自動化系統［J］.煤礦機電,2007（2）：45-47.

［3］錢建生，趙培培，李鵬，等.工業以太網技術在煤礦中的應用［J］.煤炭科學技術，2005（7）：14-16.