萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)在煤礦智能化礦山中的研究與應(yīng)用

陳昊聰

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)建設(shè)作為礦山智能化發(fā)展的基礎(chǔ)性工程，在煤礦智能化發(fā)展中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩?、穩(wěn)定性、安全性是制約礦山智能化發(fā)展的重要內(nèi)容，在以往的礦山工業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中往往以使用為目的，并未對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體拓?fù)湟?guī)劃，導(dǎo)致出現(xiàn)時(shí)延與信息孤島等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響礦山網(wǎng)絡(luò)的安全性與可靠性，制約著礦山智能化的建設(shè)。本文以冀中能源股份有限公司邢東礦智能化礦山建設(shè)中的萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)建設(shè)為中心，詳細(xì)闡述礦山智能化建設(shè)中萬兆信息網(wǎng)絡(luò)的整體規(guī)劃與建設(shè)方案。

邢東礦位于邢臺(tái)市，隸屬冀中能源集團(tuán)，采煤方法為全部充填開采，煤層賦存在-580～-1200 m，核定生產(chǎn)能力125 萬t/a。礦井智能化整體建設(shè)以萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)為核心，通過光纖有線網(wǎng)絡(luò)與5G蜂窩通信無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井下34 項(xiàng)智能化子系統(tǒng)的整合與應(yīng)用，形成“一張網(wǎng)”架構(gòu)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了覆蓋全礦井的信息傳輸與共享，杜絕了信息孤島現(xiàn)象與數(shù)據(jù)時(shí)延，解決了礦井網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與智能化建設(shè)的瓶頸。

1 萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)整體建設(shè)要求

在以往的邢東礦工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中采取了千兆主干網(wǎng)絡(luò)、百兆交換機(jī)接口與星形混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置5臺(tái)節(jié)點(diǎn)交換機(jī)，采用MOXA 與赫斯曼交換機(jī)，隨礦井網(wǎng)絡(luò)的需求發(fā)展，在新設(shè)備的布置上采取直連式就近接入附近的節(jié)點(diǎn)交換機(jī)，導(dǎo)致生產(chǎn)與視頻系統(tǒng)混用，并且在接入中未進(jìn)行上層設(shè)計(jì)，未對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行VLAN 劃分，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在傳輸中出現(xiàn)時(shí)延與堵塞。

萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)新網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)，第一點(diǎn)便需要考慮對(duì)礦井生產(chǎn)組織上的影響，以往的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)雖然并不能滿足網(wǎng)絡(luò)需求，但是可以作為新網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)的組網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，首先需要解決以往網(wǎng)絡(luò)的IP 劃分，重新規(guī)劃IP 網(wǎng)段與VLAN，從另外角度來說僅保留了硬件設(shè)備，而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)被重新規(guī)劃和調(diào)整。萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的工業(yè)核心配備2 臺(tái)華為S7706 核心交換機(jī)，井下工業(yè)節(jié)點(diǎn)分別在各變電所共配備6 臺(tái)礦用隔離防爆萬兆交換機(jī)，同時(shí)全部配備UPS 電源保護(hù)，并在以太環(huán)網(wǎng)中配備物理網(wǎng)閘進(jìn)行數(shù)據(jù)隔離，以滿足通信數(shù)據(jù)的內(nèi)部安全，杜絕了絕大多數(shù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)抓包。各交換機(jī)之間采用雙端口連接，獨(dú)立成環(huán)，整體構(gòu)成完整的雙環(huán)光纖鏈路，具有一定的應(yīng)對(duì)外力損壞的能力，在光纖鏈路受到破壞時(shí)，主備自動(dòng)交換重新進(jìn)行數(shù)據(jù)抓包并報(bào)警，實(shí)現(xiàn)50 ms 內(nèi)環(huán)路的正常數(shù)據(jù)通信，減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膩G包率。

1.1 核心網(wǎng)絡(luò)

邢東礦萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的工業(yè)核心采用華為S7706 型POE 三層交換機(jī)，傳輸速率1 000 Mbps，可以支持存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，包轉(zhuǎn)發(fā)率最高可達(dá)26 400 Mbps，具有6 個(gè)擴(kuò)展業(yè)務(wù)槽位，可以實(shí)現(xiàn)24 個(gè)萬兆光口，8 個(gè)千兆光口，12 個(gè)千兆/百兆自適應(yīng)電口，自帶485 接口的端口配置，不僅滿足當(dāng)下邢東礦智能化礦山建設(shè)的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)需求，還為系統(tǒng)整體升級(jí)預(yù)留了擴(kuò)展業(yè)務(wù)槽位。該工業(yè)核心具有完善的二、三層組播協(xié)議，支持PIM SM、PIMDM等多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，滿足多終端高清視頻監(jiān)控以及視頻接入需求。并且滿足IPv4/IPv6 雙協(xié)議棧，支持多種隧道技術(shù)，支持IPv6 靜態(tài)路由、RIPng、OSPFv3、BGP+、IS-ISv6、IPv6 組 播，滿足IPv6 獨(dú)立組網(wǎng)和IPv4/IPv6 混合組網(wǎng)要求（圖1）。

圖1 邢東礦萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.1 10 Gigabit industrial Ethernet ring network topology in Xingdong Mine

1.2 環(huán)網(wǎng)設(shè)備及功能

萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)設(shè)備工業(yè)核心配置有2 臺(tái)華為S7006 核心交換機(jī)，用于連接調(diào)度中心服務(wù)器、工作站及接入層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，單臺(tái)配置24 口萬兆光口。井下配置6 臺(tái)礦用隔爆型萬兆以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，連接附近監(jiān)控及自動(dòng)化子系統(tǒng)設(shè)備，同時(shí)增加UPS 電源保護(hù)，在市電停電后，可保障持續(xù)運(yùn)行4 h 以上。工業(yè)核心萬兆交換機(jī)與井下礦用防爆節(jié)點(diǎn)萬兆交換機(jī)之間采取端口雙鏈路環(huán)路物理配置，通過工業(yè)核心萬兆交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層萬兆傳輸通信。萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)采取節(jié)點(diǎn)雙環(huán)路配置組成，所有的萬兆節(jié)點(diǎn)交換機(jī)全部采取萬兆光纖雙端口雙工通信構(gòu)建成完整的光線數(shù)據(jù)鏈路，各萬兆交換機(jī)之間具有完備的路由表與樹協(xié)議。當(dāng)其中某一段光纖鏈路在工作中被破壞或發(fā)生網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采區(qū)主備交換的方式自愈，并確保在50 ms 內(nèi)恢復(fù)正常的數(shù)據(jù)交換與路由協(xié)議，大大降低了鏈路數(shù)據(jù)的丟包。

該萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)可以提供足夠的網(wǎng)絡(luò)帶寬及多種硬件接口滿足多系統(tǒng)的接入，三層交換結(jié)構(gòu)支持快速生成樹協(xié)議用于網(wǎng)絡(luò)主備冗余和環(huán)冗余的快速數(shù)據(jù)鏈路傳輸。并且具有線路斷線、端口低電平的網(wǎng)絡(luò)自診斷功能，在發(fā)現(xiàn)報(bào)警時(shí)，主動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息到遠(yuǎn)程鏡像端口，以便于對(duì)數(shù)據(jù)和端口狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與及時(shí)處理。在數(shù)據(jù)安全方面可提供完善的NAC 解決方案，支持MAC 地址認(rèn)證、portal1 認(rèn)證、802.1x 認(rèn)證、DHCP Snooping 觸發(fā)認(rèn)證多種認(rèn)證方式，以有效應(yīng)對(duì)移動(dòng)設(shè)備接入、啞終端接入與集中式IP 地址分配的多種接入方式?？蓪?shí)現(xiàn)設(shè)備的快速布置，并且具有2 級(jí)CPU 保護(hù)機(jī)制，支持硬件保護(hù)隊(duì)列，可實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和算法控制的分離處理，防止拒絕服務(wù)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(wǎng)絡(luò)

5G 無線寬帶網(wǎng)絡(luò)是礦井智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的關(guān)鍵，面對(duì)井下復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和有限的空間，可以減少在數(shù)據(jù)采集端有線網(wǎng)絡(luò)鏈路的接入，以及應(yīng)對(duì)移動(dòng)控制與無法有線鏈路連接的設(shè)備，比如在移動(dòng)礦車的數(shù)據(jù)采集中，有線網(wǎng)絡(luò)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(qū)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(wǎng)絡(luò)的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)傳輸無疑是最好的應(yīng)用策略。

該5G 無線寬帶網(wǎng)絡(luò)不僅支持井下防爆礦用手持移動(dòng)端設(shè)備的接入，還支持ZigBee 紫蜂低速短距離傳輸?shù)臒o線上網(wǎng)協(xié)議，可以支持大量上網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度優(yōu)勢(shì)，適合對(duì)礦用井下變電所設(shè)備等靜態(tài)設(shè)備的動(dòng)態(tài)感知傳感器的數(shù)據(jù)收發(fā)。該系統(tǒng)還支持NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng)和RFID 設(shè)備對(duì)井下礦車運(yùn)輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)識(shí)別與傳輸。無線寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)的建設(shè)中作為系統(tǒng)接入設(shè)備層最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)在礦井的智能化物聯(lián)感知與底層數(shù)據(jù)采集方面有著無可替代的作用，成為智能化礦山建設(shè)不可或缺的一環(huán)（圖2）。

圖2 邢東礦井下5G無線寬帶網(wǎng)絡(luò)示意Fig.2 5G wireless broadband network in Xingdong Mine

2 萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)在煤礦智能化建設(shè)中的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)建成后，2 個(gè)工業(yè)核心之間通過一組鏈路聚合的端口互連，井上、井下2 個(gè)工業(yè)環(huán)網(wǎng)分別通過雙耦合技術(shù)連接至2 臺(tái)核心，各個(gè)環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)就近連接環(huán)網(wǎng)附近工業(yè)設(shè)備，達(dá)到信息傳輸，工業(yè)控制等目的。將現(xiàn)有的信息系統(tǒng)如工業(yè)視頻系統(tǒng)、主副井動(dòng)力提升自動(dòng)化集中分控系統(tǒng)、供電、排水、主通風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)、礦井水自動(dòng)配比、井下皮帶運(yùn)輸、矸石充填工作面自動(dòng)化等系統(tǒng)接入，各系統(tǒng)都通過環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通訊，保證了數(shù)據(jù)快速可靠的傳輸。隨著礦山智能化建設(shè)各系統(tǒng)的投入和使用，智能傳感器、礦山融合通信、AI 數(shù)據(jù)分析與處理、云服務(wù)等多系統(tǒng)協(xié)同控制的實(shí)現(xiàn)，都離不開網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的穩(wěn)定與高效，高穩(wěn)定性上層拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計(jì)的萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)作為信息化智能化的基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)礦山復(fù)雜環(huán)境下生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)人員信息、環(huán)境變量、設(shè)備動(dòng)態(tài)和基礎(chǔ)設(shè)施信息的高效采集。

3 結(jié) 語(yǔ)

邢東礦智能化礦山建設(shè)依托萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的建成，有力的保障了未來5～10 a 各工業(yè)控制系統(tǒng)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(tǒng)的不斷新增擴(kuò)展，不會(huì)再受到網(wǎng)絡(luò)帶寬和接入端口數(shù)量限制，充分滿足了當(dāng)前以及后期的使用需求，極大地保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，推動(dòng)了智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，提升了煤礦智能化水平，促進(jìn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。