工業(yè)環(huán)網(wǎng)技術(shù)在西山煤礦環(huán)網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用

王 強(qiáng)

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪礦，山西 太原 030022)

西山煤電集團(tuán)公司現(xiàn)有幾十座煤礦，國(guó)有大型煤礦9座，這些煤礦建礦早，開(kāi)采時(shí)間長(zhǎng)，井上、下接入系統(tǒng)多，傳輸距離遠(yuǎn)，井下巷道復(fù)雜;地方整合煤礦建礦晚，開(kāi)采時(shí)間短，井上、下接入系統(tǒng)少，傳輸距離近，井下巷道不太復(fù)雜。對(duì)井下環(huán)網(wǎng)性能要求也不一樣。

目前，西山各煤礦還沒(méi)有全部開(kāi)始建設(shè)井下環(huán)網(wǎng)，只是在個(gè)別礦進(jìn)行了試點(diǎn)。當(dāng)前煤礦井下環(huán)網(wǎng)主要是由三種技術(shù)構(gòu)成的基于光纖傳輸介質(zhì)的環(huán)網(wǎng)。第一種是用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)建成的井下環(huán)網(wǎng);第二種是基于GEPON(礦用無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò))技術(shù)建成的井下環(huán)網(wǎng);第三種是基于MCTP(礦用光纖多通道傳輸)技術(shù)建成的井下環(huán)網(wǎng)。這三種技術(shù)建成的井下環(huán)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)合一，可以將生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控子系統(tǒng)集成到統(tǒng)一的傳輸平臺(tái)上。但三種技術(shù)又有各自的特點(diǎn)。針對(duì)西山各煤礦的不同情況，應(yīng)該選擇不同技術(shù)來(lái)建設(shè)各煤礦的井下環(huán)網(wǎng)。

1 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的井下環(huán)網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的井下環(huán)網(wǎng)由核心交換機(jī)和接入交換機(jī)構(gòu)成。環(huán)網(wǎng)特點(diǎn)：1)主干環(huán)網(wǎng)采用單模光纖雙芯傳輸，上傳和接收分芯傳輸，傳輸速率100 M/s、1 000 M/s、10 000 M/s。2) 主干環(huán)網(wǎng)升級(jí)擴(kuò)展方便，只要是以太鏈路，無(wú)論是100 M、1 G或者10 G都可以輕松部署，支持鏈路聚合。3)千兆環(huán)網(wǎng)典型自愈時(shí)間小于50 ms。4)主干環(huán)網(wǎng)每個(gè)環(huán)可接100臺(tái)以內(nèi)的交換機(jī);交換機(jī)之間的距離由不同傳輸距離的光模塊決定(有20 kM，50 kM等)。5)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器、語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)、CAN/RS485采集模塊，可將數(shù)字、視頻、音頻等信號(hào)接入環(huán)網(wǎng)，不支持非標(biāo)總線控制協(xié)議。6)可以構(gòu)建每個(gè)節(jié)點(diǎn)1臺(tái)交換機(jī)的單環(huán)網(wǎng)或每個(gè)節(jié)點(diǎn)2臺(tái)交換機(jī)互為備份的雙環(huán)網(wǎng)。7)交換機(jī)下井安裝前加裝煤礦專用防爆殼，保證在煤礦井下惡劣、危險(xiǎn)環(huán)境長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。8)采用QOS、VLAN劃分、故障報(bào)警等功能，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。9)交換機(jī)可采用全雙工或半雙工通信。10)只要將網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷控制在30%以下，就可以滿足控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求。

太原東山煤礦以1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)建了井下環(huán)網(wǎng)，主要為井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)、人員考勤定位系統(tǒng)等系統(tǒng)提供了集中傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各信息系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)，但沒(méi)有進(jìn)行地面遠(yuǎn)程集中控制。

2 GEPON無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)的井下環(huán)網(wǎng)

礦用GEPON網(wǎng)絡(luò)，采用單根光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)、語(yǔ)音信號(hào)、視頻信號(hào)的同時(shí)傳輸。井下GEPON系統(tǒng)主要由光纖網(wǎng)絡(luò)終端OLT，礦用光纜分線器，礦用光纖網(wǎng)元適配器ONT三部分組成。環(huán)網(wǎng)特點(diǎn)：1)礦井千兆無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)主干環(huán)網(wǎng)采用單模光纖單芯傳輸，上傳和接收同芯傳輸。系統(tǒng)的核心設(shè)備OLT在井上，所有入井設(shè)備均為礦用本安型，不受井下防爆環(huán)境局限。2)OLT有4個(gè)1 000 M以太網(wǎng)口，每個(gè)1 000 M以太網(wǎng)口可接32臺(tái)ONT，每臺(tái)ONT有多個(gè)10/100 M以太網(wǎng)口和RS－485系統(tǒng)主用以太網(wǎng)接口，有主流通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換接口，具有高通用性。3)采用光無(wú)源分支技術(shù)，單一ONT故障不影響整個(gè)環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行;光分支點(diǎn)不需要有源設(shè)備，只需光分支器即可完成且可級(jí)聯(lián)使用。4)具有主機(jī)和雙纖環(huán)路冗余功能，即使在雙環(huán)均中斷的情況下仍可以星型方式工作;并有主機(jī)和雙纖環(huán)路冗余、光纖故障監(jiān)測(cè)報(bào)警和自動(dòng)及手動(dòng)保護(hù)切換的網(wǎng)絡(luò)管理功能，傳輸質(zhì)量高，運(yùn)行可靠性高。5)視頻、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音等基于IP及現(xiàn)場(chǎng)各類工業(yè)總線的綜合傳輸需求，總體投資小于其他建網(wǎng)技術(shù)且性能優(yōu)異。6)主干環(huán)網(wǎng)上有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)環(huán)的傳輸距離10 km;主干環(huán)網(wǎng)上有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)環(huán)的傳輸距離20 km;7)環(huán)網(wǎng)冗余切換時(shí)間小于100 ms。8)系統(tǒng)帶寬可動(dòng)態(tài)分配，每臺(tái)ONT動(dòng)態(tài)分配的流量最大可達(dá)100 M帶寬，保證了環(huán)網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和傳輸質(zhì)量。9)主干環(huán)網(wǎng)建成后需增加新節(jié)點(diǎn)時(shí)，調(diào)試?yán)щy，會(huì)影響整個(gè)環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行。10)下行采用TDM復(fù)用廣播方式、上行采用TDMA復(fù)用方式。11)系統(tǒng)所有設(shè)備具有系統(tǒng)帶寬分配、QOS、VLAN劃分等功能，不支持非標(biāo)總線控制協(xié)議。

霍州煤電集團(tuán)干河礦應(yīng)用GEPON技術(shù)構(gòu)建了井下環(huán)網(wǎng)，接入了安全監(jiān)控系統(tǒng)及井下監(jiān)測(cè)分站、井下無(wú)線通訊、數(shù)字化視頻等系統(tǒng)。采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及組態(tài)技術(shù)，形成了統(tǒng)一的管控指揮應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了供電等系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。但井下相關(guān)崗位還有人值守。

3 MCTP多通道傳輸平臺(tái)的井下環(huán)網(wǎng)

MCTP(礦用多通道傳輸平臺(tái))采用了先進(jìn)的RPR技術(shù)、隧道技術(shù)及虛擬網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、視頻、數(shù)字信號(hào)接入傳輸功能。礦用MCTP技術(shù)構(gòu)建的井下環(huán)網(wǎng)特點(diǎn)：1)MCTP技術(shù)可以組成多節(jié)點(diǎn)雙光纖環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)的自愈時(shí)間小于50 ms，實(shí)現(xiàn)鏈路和系統(tǒng)設(shè)備的冗余保護(hù)。2)MCTP的節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間直接傳輸距小于45 km。3)CMTP系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)管理功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一監(jiān)控和管理。4)MCTP傳輸平臺(tái)能提供足夠的帶寬和QOS保障。5)MCTP采用隧道技術(shù)，各種信號(hào)以獨(dú)立信道的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，各信道間實(shí)現(xiàn)了物理上的隔離，確保傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。6)不同的業(yè)務(wù)模板接入不同的信號(hào)，有異步數(shù)據(jù)接入模塊、模擬語(yǔ)音接入模塊、以太網(wǎng)接入模塊等。7)MCTP的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品且為本質(zhì)安全型設(shè)備，全部業(yè)務(wù)模塊均支持熱插拔，極大地方便了設(shè)備的日常維護(hù)和故障的快速排除。8)支持非標(biāo)總線控制協(xié)議。9)主干環(huán)網(wǎng)建成后網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還可以增加。10)MCTP可以構(gòu)建單環(huán)網(wǎng)或雙環(huán)網(wǎng)。

山東許廠礦應(yīng)用MCTP技術(shù)構(gòu)建了井下環(huán)網(wǎng)，通過(guò)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了井下皮帶、架空乘人裝置等系統(tǒng)的地面遠(yuǎn)程控制，做到井下現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守，地面集中控制運(yùn)行大幅提高煤礦生產(chǎn)能力和安全生產(chǎn)管理水平，減少了井下人員。三種技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 三種技術(shù)對(duì)比表

通過(guò)以上比較研究，三種技術(shù)各有優(yōu)劣。對(duì)于地方整合煤礦井下巷道布局簡(jiǎn)單、距離短、井下主干環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以一次布置完成、井下沒(méi)有采用非標(biāo)總線控制協(xié)議系統(tǒng)、投入資金少且地面對(duì)井下集中控制的系統(tǒng)少的煤礦，可以選用礦用GEPON技術(shù)構(gòu)建井下環(huán)網(wǎng)。由于GEPON技術(shù)的傳輸光的波長(zhǎng)是1 310 nm和1 490 nm，所以，整個(gè)環(huán)網(wǎng)有距離限制。對(duì)于9座國(guó)有大型煤礦中井下巷道布局復(fù)雜且距離遠(yuǎn)、井下主干環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)不能一次布置完成的，需要以后增加，井下沒(méi)有采用非標(biāo)總線控制協(xié)議的系統(tǒng)、投入資金較充足且地面對(duì)井下集中控制的系統(tǒng)少、視頻信號(hào)少的煤礦，可以選用千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)構(gòu)建井下環(huán)網(wǎng)。對(duì)于9座國(guó)有大型煤礦中井下巷道布局復(fù)雜且距離遠(yuǎn)、井下主干環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)不能一次布置完成，需要以后增加、井下采用非標(biāo)總線控制協(xié)議的系統(tǒng)多、投入資金充足且要求地面對(duì)井下集中控制的系統(tǒng)多、視頻信號(hào)多，并且井下有些系統(tǒng)要做到無(wú)人值守，井下老系統(tǒng)采用總線控制協(xié)議類型多、井下模擬電話也要接入環(huán)網(wǎng)的煤礦，可以選用礦用MCTP技術(shù)構(gòu)建井下環(huán)網(wǎng)。

［1］ 付貴寶．淺談MCTP在煤礦工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)中的應(yīng)用［J］．山西科技，2008(5)：44－45．

［2］ 韓曉東，范佩磊，鄧 榮．礦用GEPON在祁南煤礦綜合信息監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．工礦自動(dòng)化，2008(5)：115－116．

［3］ 湯大立，田伊鵬．千兆環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)在煤礦安全集成監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．煤礦機(jī)電，2009(2)：83－85．

［4］ 李世銀，錢建生，孫彥景，等．煤礦工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)模型研究及應(yīng)用［J］．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(3)：46－48．

［5］ 龔道香，石旭剛，黃秀珍．實(shí)時(shí)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的設(shè)計(jì)［J］．電訊技術(shù)，2008(1)：86－89．