VLAN技術在煤礦綜合自動化系統(tǒng)中的應用研究

魏 冉

（西山煤電集團教育中心，山西 太原 030053）

1 引言

為了實現礦井系統(tǒng)綜合自動化和一體化發(fā)展，需要獲取分布在井下不同位置的設備運行數據和運行狀態(tài)，對各個子系統(tǒng)進行遠程集中控制，實現井下設備的相互協(xié)調工作，通過一根光纖將礦井各個系統(tǒng)連接起來，實現礦井綜合自動化系統(tǒng)的數據通信，遍布井下的光纖就組成了礦井綜合自動化系統(tǒng)的骨干—千兆以太環(huán)網。由于礦井設備是一個龐大的設備群，分布在井下的各個角落且各個系統(tǒng)之間相互獨立，如果所有的控制數據、音頻數據和視頻數據等通信數據都在同一個網絡上運行，那么整個網絡系統(tǒng)負擔較大，尤其是同時來自眾多設備的大量視頻數據需要通信時，就容易造成通信阻塞，網絡癱瘓，影響各個自動化系統(tǒng)正常運行，最簡單易行的解決方法是設立獨立的物理網絡。一般情況下，安全監(jiān)控系統(tǒng)必須獨立于其他系統(tǒng)，獨自使用一個物理網絡，但為了避免網絡堵塞，其他的自動化設備如果也采用獨立的物理系統(tǒng)，則需要額外購買設備，增加成本且維護難度和成本增加，造成人力物力的浪費。基于此，本文采用VLAN技術（“虛擬局域網”技術），既可以保證網絡通訊通暢穩(wěn)定、子系統(tǒng)相互對立互不干擾，又能夠節(jié)約人力物力，對于礦井實現綜合自動化發(fā)展具有重要的研究意義。

2 VLAN技術的特點

VLAN是將一個物理網絡劃分成多個虛擬局域網的技術，它具有限制廣播域、提升網絡利用效率和局域網的安全性等特點。VLAN技術即為虛擬局域網技術，可以根據實際需求，劃分不同的用戶到不同的工作組，同一工作組的用戶也不必局限于某一固定的物理范圍，且每個工作組具有與實際產生的物理局域網相同的功能，限制廣播范圍，實現同組內通信，且阻斷不同分組通信，從而提升網絡利用率。該工作方式具有以下特點：

（1）通過限制廣播域，提升網絡通信效率。采用VLAN技術以后，劃分了不同的工作組，把以前需要在整個物理網絡廣播的區(qū)域限制在一個虛擬的工作組內，使廣播域內的網絡設備減少，廣播區(qū)域范圍大大地減小。與單獨的一個物理局域網絡相比，虛擬局域網隔離了廣播，減小了廣播范圍，使網絡利用率大大的提升。

（2）網絡管理得到簡化。利用VLAN技術劃分網絡的工作組，可以突破共享網絡中的地理位置限制，而完全根據管理功能或者需求來劃分，構建和維護網絡簡單方便快捷。在礦井綜合自動化系統(tǒng)現場，可以將一個生產系統(tǒng)單獨分到一個工作組，單個生產系統(tǒng)內部可以相互通信，即使通信出了故障，也不會影響到其他的工作組，管理系統(tǒng)內部設備難度大大降低。

（3）增強局域網安全性。采用VLAN技術，不同工作組的用戶不能進行通信，如同獨立網絡一樣，可以遏制住網絡病毒的擴散，不至于使整個網絡受到攻擊，將危險控制在工作組內；網絡出現故障時，能將故障排查范圍減小，鎖定到某一個工作組內，能夠及時發(fā)現和解決問題。

（4）需要增加費用購買設備。采用了VLAN技術，需要的交換機比普通交換機更加昂貴，必須為二層以上的交換機。由于不同的工作組內無法通信，需要增加路由器，或者三層交換機這樣具備路由器功能的設備來實現不同工作組間的通信。

3 VLAN在礦井綜合自動化系統(tǒng)中的應用

西山煤電鎮(zhèn)城底礦的綜合自動化系統(tǒng)骨干網絡為千兆工業(yè)以太環(huán)網，采用三層西門子SCALANCE X414 交換機，該交換機具有VLAN換分和路由功能，整個綜合自動化系統(tǒng)劃分為17個子系統(tǒng)。

3.1 VLAN基本劃分原則

VLAN劃分應遵循易于管理、系統(tǒng)獨立和運行穩(wěn)定的原則。礦井綜合自動化系統(tǒng)產生兩類數據，分類詳見圖1。礦井綜合自動化系統(tǒng)的核心數據是分布式控制系統(tǒng)數據（DCS），DCS系統(tǒng)數據的優(yōu)點是占用數據寬帶小，缺點是系統(tǒng)必須有較高的實時性，才能滿足其需求。礦井綜合自動化系統(tǒng)采用的芯片數據運算能力較弱，這時，如果有大量的數據要在網絡中廣播，就會阻塞網絡，甚至癱瘓。對于分布式控制系統(tǒng)數據（DCS），在系統(tǒng)中一般會有十幾個且分屬不同的部門，對DCS系統(tǒng)的VLAN劃分應基于所屬部分進行劃分，將同一個部門的DCS系統(tǒng)劃分為一個網絡工作組。視頻監(jiān)控數據的特點是數據量大，占用寬帶資源多，并且當有很多視頻設備在同一網絡時，就會給交換機帶來很大的工作量，容易出現網絡延時、數據丟包等故障，所以對于視頻監(jiān)控數據進行VLAN劃分時，跟DCS系統(tǒng)數據一樣按照所屬部門劃分，但由于其容易造成網絡延時，而DCS數據對實時性要求較高，所以兩者不能共網傳輸。對于網絡電話，可以將所有的網絡電話劃分一個獨立網絡。

圖1 數據分類

基于以上原則對鎮(zhèn)城底煤礦礦井綜合系統(tǒng)自動化進行VLAN劃分。第一，將有軌車和井下架空人車等輔助運輸系統(tǒng)劃分為一個虛擬網絡，相對應的視頻監(jiān)控設備劃分為一個虛擬網絡；第二，井下主運輸系統(tǒng)歸機運隊負責管理，在劃分網絡時，應將井下主運輸系統(tǒng)、主煤流計量系統(tǒng)、多條膠帶和膠帶沿線水窩監(jiān)測控制系統(tǒng)劃分為一個虛擬網絡，相應的視頻監(jiān)控設備劃分為一個虛擬網絡；第三，選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、地面篩選監(jiān)控系統(tǒng)和巷道頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)是通過一個接口上傳數據的，且數據采集點少，故此，將它們劃分一個獨立網絡；第四，將心機房內綜合自動化系統(tǒng)集成平臺劃分一個獨立的虛擬網絡；第五，將機電隊管理的井下中央泵房、井下變電所和地面變電所的控制系統(tǒng)劃分一個獨立虛擬網絡，由于DCS數據與視頻監(jiān)控數據不能共網傳輸，所以將這些部門的視頻監(jiān)控設備單獨劃分一個虛擬網絡；第六，將分布在裝車站、地面篩分系統(tǒng)和矸石山等設備位置的視頻監(jiān)控設備作為一個工作組，劃分為一個虛擬網絡。

3.2 VLAN劃分操作

（1）設置新VLAN，設置流程如下：

（2）設置VLAN屬性，設置流程如下：

（3）去除原有VLAN，對應端口的設置，設置流程如下：

（4）檢查是否正確設置，檢查流程如下：

3.3 子系統(tǒng)之間的通信

對礦井綜合自動化系統(tǒng)進行VLAN虛擬網絡劃分是根據現場實際情況進行的，劃分以后，各個系統(tǒng)可以作為一個獨立網絡運行，相互不干擾，但作為一個綜合自動化系統(tǒng)，還需要將整個子系統(tǒng)有機地結合起來。子系統(tǒng)協(xié)調運行的基礎就需要綜合系統(tǒng)能實時獲得和深度集成子系統(tǒng)數據，所有綜合自動化系統(tǒng)網絡內計算機都需要監(jiān)控和管理，部分主機需要將信息發(fā)送到辦公網絡，此時，解決各個子系統(tǒng)間通信的問題就需要對各個節(jié)點交換機進行路由配置，以實現各個子系統(tǒng)的通信。

4 應用效果分析

鎮(zhèn)城底煤礦綜合自動化系統(tǒng)使用VLAN技術以后，突破共享網絡中的地理位置限制。根據管理功能或者需求來劃分，構建和維護網絡簡單方便快捷，使網絡故障率大大降低。且各個子系統(tǒng)相互獨立，有效地遏制了病毒的擴散，限制廣播域，網絡利用率得到大大提升，減輕了網絡負載，礦井工作效率大大提高，有效地保證了礦井的安全生產運行。

5 結論

（1）鎮(zhèn)城底煤礦綜合自動化系統(tǒng)采用三層西門子SCALANCE X414交換機，其輔助運輸系統(tǒng)、主運輸系統(tǒng)、選煤廠監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)等系統(tǒng)按照VLAN的基本劃分原則劃分為6個獨立的虛擬網絡。

（2）VLAN技術的使用突破了共享網絡中的地理位置限制，構建和維護網絡簡單方便快捷，使網絡故障率大大降低，既保證網絡通訊通暢穩(wěn)定，子系統(tǒng)相互對立互不干擾，又能夠節(jié)約人力物力。