淺析煤礦工業以太環網的建設與應用

俞 茜，陳 洲

（1.江蘇省安全生產宣傳教育中心，江蘇 南京 210000；2.大屯公司徐莊煤礦信息科，江蘇 南京 210000）

1 研究背景

美國著名安全工程師海因里希提出的海因里希法則中寫道：重大的事故背后一定會有29件輕度事故，也存在300件潛在隱患，這就是著名的“300∶29∶1法則”。煤礦事故的發生不可簡單認定為一個孤立的事件，雖然事故的發生只是在一瞬間，但是事故產生根源是企業安全管理機制的缺失、工作人員安全生產意識淡薄。如何將這些輕微事故、潛在隱患、井下監控數據進行整合傳輸，分析完善煤礦安全管理機制，補齊井下安全管理短板，成為煤礦企業發展的突出問題。目前以現代科學技術為依托的煤礦工業環網系統在煤礦企業已經得到了廣泛應用，但多以千兆或多千兆環網形式建設，基于萬兆網絡的高帶寬傳輸系統近幾年才逐漸成熟，并且在不斷完善。煤礦工業環網系統是把礦井環境監控子系統以及各生產環節自動控制子系統通過自動化平臺軟件和高速工業以太環網融合，連接礦級管理系統和系統防火墻，以實現全礦井的一體化管控。因此如何在控制成本的前提下，建設穩定可靠快速的煤礦工業以太環網值得相關工程技術人員思考。

2 總體技術要求

如何建設穩定可靠快速的煤礦工業以太環網，從技術的角度講，應該注意以下幾個方面。

2.1 注重開放性原則

根據開放性原則要求，所建的系統應該是完全開放的網絡平臺，并且符合IEC61158等國際公認的網絡標準，要具備成熟的API接口，方便第三方對接。

2.2 提供豐富信息傳輸服務

系統應該提供多樣的接入方式，能夠方便支持程序上傳下載、運維調試、數據采集、日志記錄等功能，接入方式無需復雜的二次開發和額外的硬件支撐，同時傳輸服務不影響整體系統的性能；系統采用分布式架構，某一子系統或主題出現故障后，不會對整體系統有影響。

2.3 支持多種結構模式

數據通訊管理結構為B/S結構，同時也支持B/S、C/S組合控制方式，無需二次開發即可完成報文發送以及數據塊傳送。

2.4 高速穩定的網絡速率

網絡速率的高速和穩定是系統建設的基礎和保障。技術上要求任意節點之間數據的傳輸速率大于1 000 Mbps，主干線路網速應達到10 000 Mbps。

2.5 靈活的網絡分段

單一網絡需提供不小于99個站點的連接支撐能力并可以根據項目實際情況，支持靈活的網絡分段、隔離橋接等技術方案。

2.6 支持多種傳輸介質

需要支持光纖連接和雙絞線，并可以根據項目情況提供靈活的選擇電纜形式。

2.7 支撐多拓撲結構和遠距離傳輸

可以根據項目的具體情況，支持環形、星形、總線型等多種拓撲結構，最大傳輸距離需要大于15 km，通過中繼方式可擴大傳輸距離，最大傳輸距離需大于30 km。

2.8 強大的網絡管理能力

可以進行自動網絡診斷和業務管理，定期自動生成拓撲圖，反映監控狀態；可以手動新增節點接入網絡，通過導入配置文件，保留原先配置；自動完成識別及推薦配置信息。

2.9 最優化冗余配置

系統建設時采用光纖環網方式來實現以太網的連接，這種方式的優勢是骨干網上任何一點連接出現故障或者意外斷開，系統都可以通過后備的以太網鏈路，保障整體系統的穩定性和可靠性。在項目前期設計時，要考慮物理和邏輯上的網絡信道冗余，確保整體項目的健壯性。

2.10 自動化節點劃分網絡和結構調整

系統可以自動按節點數量、區域等策略條件最優劃分自動化控制網。井下骨干萬兆環網接入器需要配備4個以上光纖端口，端口類型為全雙工萬兆，用于連接完整的光纖環路，井下骨干千兆環網接入器宜具備3個及以上全雙工千兆光纖端口。其中一條線路發生故障或者中斷的情況時，系統通過自動化節點劃分網絡和結構調整使整個網絡自動修復，在50 ms以內修復完成。

3 設備選型與布置注意事項

關于選型與布置，不管建設任何系統和工程，一個科學合理的設備選型，都是建設成功與否的關鍵，下面就組成網絡的主要設備，提出一些建議。

3.1 核心交換機

推薦選用知名品牌、性能穩定、可靠、模塊化的多層路由或萬兆網絡交換機。需要有三層交換功能，可以對網絡分層進行策略控制。核心交換機設備配置要求如表1所示。

3.2 礦用防爆型交換機

礦用防爆型交換機以井下千兆節點交換機為例，應井下防爆要求，設備具有二層交換功能，便于接入子系統的安全策略布署。礦用防爆型交換機設備配置要求如表2所示。

表1 核心交換機設備配置要求

表2 礦用防爆型交換機設備配置要求

3.3 防火墻

用于隔斷管理網絡和控制網絡，保證控制網絡不受非法數據的攻擊，通過互訪規則，限制兩個網絡之間數據的訪問。劃定非軍事區，供控制網向外發布信息。

并發連接數為3.6×106，網絡吞吐量Gbps為20，4個萬兆光口SFP模塊（含4個10 km單模萬兆光模塊），4個千兆光口SFP模塊（含4個10 km單模千兆光模塊），4個千兆電口，進出口為萬兆光口SFP模塊。入侵檢測：Dοs、DdοS。主要支持用戶認證、內容過濾、系統監控、網絡管理、前臺WEB操作、整體帶寬策略控制等功能。

關于設備位置選擇，提出如下原則及優點：①宜選擇在變電所，如采區變電所、皮帶變電所等，因為礦用防爆型交換機雖然有備用電源，但直供電源的選取尤為重要，應以穩定為主，變電所無疑是最好的選擇；②井下接入設備超過3臺級以上的位置，宜布置礦用防爆型交換機，因為這樣設置會減少光纜的鋪設數量，減少線路維護工作量；③重點場所與重要節點宜布置或多布置礦用防爆型交換機，比如某礦井為南北兩翼開采，那么井口的位置就宜設置兩臺（南翼、北翼各部署一臺），有助于提升整體網絡的安全性和抗災能力。

4 應用管理

在實際應用過程中，維護管理尤為重要，如果后期維護不及時不到位，將會紕漏百出，難以發揮高帶寬網絡傳輸的優勢，甚至影響礦井的安全生產。

維護管理從以下幾個方面著手：①應選用網管型設備，不建議選擇非網管型或者非工業以太網交換機，如果是實在受制于設備投入，可以選擇國產品牌；②不應將設備放置在接近水源或者潮濕的地方，電源接頭以及其他設備連接件需要連接牢固，并經常檢查線路的牢固性；③為了使故障處理工作有章可循，便于及時處理，建議按照以下原則來分析。由軟到硬原則，即發生故障或未知的網絡中斷，應先從系統配置或系統軟件上著手進行排查。如端口發生故障時，可以先檢查用戶VLAN表，看看用戶端口是否在表中，然后查詢該端口的權限，有沒有被其他系統管理員禁用，如前兩項還未解決問題，可以檢查具體的策略配置，如果排除以上系統和策略上的因素，那可以檢查具體的硬件是否存在問題；由外而內原則，即工業以太網交換機發生設備故障時，管理人員可以先從指示燈的提示上辨別，根據說明書中的相關故障指示操作，然后可以檢查機器內部的部件是否存在故障。不管是否內外故障，都需要登錄交換機來確定具體的問題，然后才能夠采取相應的措施修復問題。

5 結束語

高帶寬工業以太環網技術的使用將為新形勢下控制系統的高速發展提供可靠的技術保障，它無需客戶解決研究軟件升級問題，從而大大減少了人力物力，這是現階段其他現場總線技術所無法比擬的。機器人技術、智能制造、應急救災的發展都需要擁有更快更穩定的通信網絡，隨著新技術的不斷發展，礦井“信息高速公路”的建設，毋庸置疑將使礦井變得更加智能。