萬兆工業以太環網在煤礦智能化礦山中的研究與應用

陳昊聰

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引 言

網絡建設作為礦山智能化發展的基礎性工程，在煤礦智能化發展中，數據傳輸的高速性、穩定性、安全性是制約礦山智能化發展的重要內容，在以往的礦山工業網絡建設中往往以使用為目的，并未對網絡進行整體拓撲規劃，導致出現時延與信息孤島等現象，嚴重影響礦山網絡的安全性與可靠性，制約著礦山智能化的建設。本文以冀中能源股份有限公司邢東礦智能化礦山建設中的萬兆工業環網建設為中心，詳細闡述礦山智能化建設中萬兆信息網絡的整體規劃與建設方案。

邢東礦位于邢臺市，隸屬冀中能源集團，采煤方法為全部充填開采，煤層賦存在-580～-1200 m，核定生產能力125 萬t/a。礦井智能化整體建設以萬兆工業環網為核心，通過光纖有線網絡與5G蜂窩通信無線網絡，實現對礦井下34 項智能化子系統的整合與應用，形成“一張網”架構規劃，實現了覆蓋全礦井的信息傳輸與共享，杜絕了信息孤島現象與數據時延，解決了礦井網絡數據傳輸與智能化建設的瓶頸。

1 萬兆工業以太環網整體建設要求

在以往的邢東礦工業網絡中采取了千兆主干網絡、百兆交換機接口與星形混合拓撲結構，設置5臺節點交換機，采用MOXA 與赫斯曼交換機，隨礦井網絡的需求發展，在新設備的布置上采取直連式就近接入附近的節點交換機，導致生產與視頻系統混用，并且在接入中未進行上層設計，未對網絡進行VLAN 劃分，導致數據在傳輸中出現時延與堵塞。

萬兆工業以太環網新網絡系統的建設，第一點便需要考慮對礦井生產組織上的影響，以往的信息網絡系統雖然并不能滿足網絡需求，但是可以作為新網絡系統建設的組網中的節點，首先需要解決以往網絡的IP 劃分，重新規劃IP 網段與VLAN，從另外角度來說僅保留了硬件設備，而拓撲結構已經被重新規劃和調整。萬兆工業以太環網的工業核心配備2 臺華為S7706 核心交換機，井下工業節點分別在各變電所共配備6 臺礦用隔離防爆萬兆交換機，同時全部配備UPS 電源保護，并在以太環網中配備物理網閘進行數據隔離，以滿足通信數據的內部安全，杜絕了絕大多數的遠程網絡攻擊和數據抓包。各交換機之間采用雙端口連接，獨立成環，整體構成完整的雙環光纖鏈路，具有一定的應對外力損壞的能力，在光纖鏈路受到破壞時，主備自動交換重新進行數據抓包并報警，實現50 ms 內環路的正常數據通信，減少了網絡傳輸的丟包率。

1.1 核心網絡

邢東礦萬兆工業以太環網的工業核心采用華為S7706 型POE 三層交換機，傳輸速率1 000 Mbps，可以支持存儲-轉發交換方式，包轉發率最高可達26 400 Mbps，具有6 個擴展業務槽位，可以實現24 個萬兆光口，8 個千兆光口，12 個千兆/百兆自適應電口，自帶485 接口的端口配置，不僅滿足當下邢東礦智能化礦山建設的高速數據傳輸的網絡需求，還為系統整體升級預留了擴展業務槽位。該工業核心具有完善的二、三層組播協議，支持PIM SM、PIMDM等多網絡協議，滿足多終端高清視頻監控以及視頻接入需求。并且滿足IPv4/IPv6 雙協議棧，支持多種隧道技術，支持IPv6 靜態路由、RIPng、OSPFv3、BGP+、IS-ISv6、IPv6 組 播，滿足IPv6 獨立組網和IPv4/IPv6 混合組網要求（圖1）。

圖1 邢東礦萬兆工業以太環網拓撲圖Fig.1 10 Gigabit industrial Ethernet ring network topology in Xingdong Mine

1.2 環網設備及功能

萬兆工業以太環網設備工業核心配置有2 臺華為S7006 核心交換機，用于連接調度中心服務器、工作站及接入層網絡設備等，單臺配置24 口萬兆光口。井下配置6 臺礦用隔爆型萬兆以太網環網交換機，連接附近監控及自動化子系統設備，同時增加UPS 電源保護，在市電停電后，可保障持續運行4 h 以上。工業核心萬兆交換機與井下礦用防爆節點萬兆交換機之間采取端口雙鏈路環路物理配置，通過工業核心萬兆交換機實現數據層萬兆傳輸通信。萬兆工業以太環網采取節點雙環路配置組成，所有的萬兆節點交換機全部采取萬兆光纖雙端口雙工通信構建成完整的光線數據鏈路，各萬兆交換機之間具有完備的路由表與樹協議。當其中某一段光纖鏈路在工作中被破壞或發生網絡設備故障后，整個網絡采區主備交換的方式自愈，并確保在50 ms 內恢復正常的數據交換與路由協議，大大降低了鏈路數據的丟包。

該萬兆工業以太環網系統可以提供足夠的網絡帶寬及多種硬件接口滿足多系統的接入，三層交換結構支持快速生成樹協議用于網絡主備冗余和環冗余的快速數據鏈路傳輸。并且具有線路斷線、端口低電平的網絡自診斷功能，在發現報警時，主動發送報警信息到遠程鏡像端口，以便于對數據和端口狀態進行實時監控與及時處理。在數據安全方面可提供完善的NAC 解決方案，支持MAC 地址認證、portal1 認證、802.1x 認證、DHCP Snooping 觸發認證多種認證方式，以有效應對移動設備接入、啞終端接入與集中式IP 地址分配的多種接入方式。可實現設備的快速布置，并且具有2 級CPU 保護機制，支持硬件保護隊列，可實現采集數據和算法控制的分離處理，防止拒絕服務攻擊、非法接入以及控制平面過載等安全威脅。

1.3 井下5G 無線寬帶網絡

5G 無線寬帶網絡是礦井智能化網絡系統的關鍵，面對井下復雜的工業生產環境和有限的空間，可以減少在數據采集端有線網絡鏈路的接入，以及應對移動控制與無法有線鏈路連接的設備，比如在移動礦車的數據采集中，有線網絡存在距離等非可行性約束，在水位與煤壁壓力等方面存在線路布置與區域更換等存在無法快速接入光纖鏈路等因素，以上采用無線寬帶網絡的蜂窩物聯網傳輸無疑是最好的應用策略。

該5G 無線寬帶網絡不僅支持井下防爆礦用手持移動端設備的接入，還支持ZigBee 紫蜂低速短距離傳輸的無線上網協議，可以支持大量上網節點具有低功耗、低成本、低復雜度優勢，適合對礦用井下變電所設備等靜態設備的動態感知傳感器的數據收發。該系統還支持NB-IoT 窄帶物聯網和RFID 設備對井下礦車運輸系統的數據識別與傳輸。無線寬帶網絡系統在萬兆工業環網的建設中作為系統接入設備層最關鍵的一個環節在礦井的智能化物聯感知與底層數據采集方面有著無可替代的作用，成為智能化礦山建設不可或缺的一環（圖2）。

圖2 邢東礦井下5G無線寬帶網絡示意Fig.2 5G wireless broadband network in Xingdong Mine

2 萬兆工業以太環網在煤礦智能化建設中的應用

網絡建成后，2 個工業核心之間通過一組鏈路聚合的端口互連，井上、井下2 個工業環網分別通過雙耦合技術連接至2 臺核心，各個環網節點就近連接環網附近工業設備，達到信息傳輸，工業控制等目的。將現有的信息系統如工業視頻系統、主副井動力提升自動化集中分控系統、供電、排水、主通風機、壓風機、礦井水自動配比、井下皮帶運輸、矸石充填工作面自動化等系統接入，各系統都通過環網進行通訊，保證了數據快速可靠的傳輸。隨著礦山智能化建設各系統的投入和使用，智能傳感器、礦山融合通信、AI 數據分析與處理、云服務等多系統協同控制的實現，都離不開網絡通信數據的穩定與高效，高穩定性上層拓撲網絡分層設計的萬兆工業以太環網技術作為信息化智能化的基礎，可以實現礦山復雜環境下生產網絡內人員信息、環境變量、設備動態和基礎設施信息的高效采集。

3 結 語

邢東礦智能化礦山建設依托萬兆工業以太環網系統的建成，有力的保障了未來5～10 a 各工業控制系統的接入、井下巷道不斷延伸以及視頻攝像儀和其他控制子系統的不斷新增擴展，不會再受到網絡帶寬和接入端口數量限制，充分滿足了當前以及后期的使用需求，極大地保證了系統數據的傳輸，推動了智能化技術與煤炭產業融合發展，提升了煤礦智能化水平，促進煤炭工業高質量發展。