淺析煤礦工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)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(fā)生不可簡單認定為一個孤立的事件，雖然事故的發(fā)生只是在一瞬間，但是事故產生根源是企業(yè)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(jiān)控數(shù)據(jù)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(yè)發(fā)展的突出問題。目前以現(xiàn)代科學技術為依托的煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)在煤礦企業(yè)已經得到了廣泛應用，但多以千兆或多千兆環(huán)網(wǎng)形式建設，基于萬兆網(wǎng)絡的高帶寬傳輸系統(tǒng)近幾年才逐漸成熟，并且在不斷完善。煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)是把礦井環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)以及各生產環(huán)節(jié)自動控制子系統(tǒng)通過自動化平臺軟件和高速工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)融合，連接礦級管理系統(tǒng)和系統(tǒng)防火墻，以實現(xiàn)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(wěn)定可靠快速的煤礦工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)值得相關工程技術人員思考。

2 總體技術要求

如何建設穩(wěn)定可靠快速的煤礦工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，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(jù)開放性原則要求，所建的系統(tǒng)應該是完全開放的網(wǎng)絡平臺，并且符合IEC61158等國際公認的網(wǎng)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(tǒng)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(shù)據(jù)采集、日志記錄等功能，接入方式無需復雜的二次開發(fā)和額外的硬件支撐，同時傳輸服務不影響整體系統(tǒng)的性能；系統(tǒng)采用分布式架構，某一子系統(tǒng)或主題出現(xiàn)故障后，不會對整體系統(tǒng)有影響。

2.3 支持多種結構模式

數(shù)據(jù)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(fā)即可完成報文發(fā)送以及數(shù)據(jù)塊傳送。

2.4 高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡速率

網(wǎng)絡速率的高速和穩(wěn)定是系統(tǒng)建設的基礎和保障。技術上要求任意節(jié)點之間數(shù)據(jù)的傳輸速率大于1 000 Mbps，主干線路網(wǎng)速應達到10 000 Mbps。

2.5 靈活的網(wǎng)絡分段

單一網(wǎng)絡需提供不小于99個站點的連接支撐能力并可以根據(jù)項目實際情況，支持靈活的網(wǎng)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(jù)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(jù)項目的具體情況，支持環(huán)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(wǎng)絡管理能力

可以進行自動網(wǎng)絡診斷和業(yè)務管理，定期自動生成拓撲圖，反映監(jiān)控狀態(tài)；可以手動新增節(jié)點接入網(wǎng)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(yōu)化冗余配置

系統(tǒng)建設時采用光纖環(huán)網(wǎng)方式來實現(xiàn)以太網(wǎng)的連接，這種方式的優(yōu)勢是骨干網(wǎng)上任何一點連接出現(xiàn)故障或者意外斷開，系統(tǒng)都可以通過后備的以太網(wǎng)鏈路，保障整體系統(tǒng)的穩(wěn)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(wǎng)絡信道冗余，確保整體項目的健壯性。

2.10 自動化節(jié)點劃分網(wǎng)絡和結構調整

系統(tǒng)可以自動按節(jié)點數(shù)量、區(qū)域等策略條件最優(yōu)劃分自動化控制網(wǎng)。井下骨干萬兆環(huán)網(wǎng)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(huán)路，井下骨干千兆環(huán)網(wǎng)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(fā)生故障或者中斷的情況時，系統(tǒng)通過自動化節(jié)點劃分網(wǎng)絡和結構調整使整個網(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)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(wěn)定、可靠、模塊化的多層路由或萬兆網(wǎng)絡交換機。需要有三層交換功能，可以對網(wǎng)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(jié)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(tǒng)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(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡，保證控制網(wǎng)絡不受非法數(shù)據(jù)的攻擊，通過互訪規(guī)則，限制兩個網(wǎng)絡之間數(shù)據(jù)的訪問。劃定非軍事區(qū)，供控制網(wǎng)向外發(fā)布信息。

并發(fā)連接數(shù)為3.6×106，網(wǎng)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(tǒng)監(jiān)控、網(wǎng)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(yōu)點：①宜選擇在變電所，如采區(qū)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(wěn)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(shù)量，減少線路維護工作量；③重點場所與重要節(jié)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(wǎng)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(fā)揮高帶寬網(wǎng)絡傳輸?shù)膬?yōu)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(wǎng)管型設備，不建議選擇非網(wǎng)管型或者非工業(yè)以太網(wǎng)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(fā)生故障或未知的網(wǎng)絡中斷，應先從系統(tǒng)配置或系統(tǒng)軟件上著手進行排查。如端口發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(yè)以太網(wǎng)交換機發(fā)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(jù)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(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術的使用將為新形勢下控制系統(tǒng)的高速發(fā)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(xiàn)階段其他現(xiàn)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(fā)展都需要擁有更快更穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡，隨著新技術的不斷發(fā)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。