□古玲聰

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031)

太原東山煤礦有限責(zé)任公司是一座設(shè)計(jì)能力為年產(chǎn)150萬(wàn)噸的礦井，礦井面積28.8Km2，地質(zhì)儲(chǔ)量24600萬(wàn)噸，可采儲(chǔ)量6000萬(wàn)噸。礦井開(kāi)拓方式為斜井開(kāi)拓，屬低瓦斯礦井，礦井的現(xiàn)開(kāi)采煤層為12#、15#煤層，15#煤層容易自燃，煤塵具有爆炸性，煤層平均厚度6.5米。12#煤層不易自然，煤塵具有弱爆炸性,煤層平均厚度2米。煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、多變、條件惡劣，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是煤礦安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。在監(jiān)控系統(tǒng)中，所有監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換經(jīng)交換機(jī)與地面監(jiān)控機(jī)通訊，監(jiān)控機(jī)房的各類(lèi)監(jiān)測(cè)信息需要共享綜合，提供局域網(wǎng)內(nèi)隨時(shí)瀏覽功能。這樣，在煤礦的井下與井上組建合適的局域網(wǎng)是至關(guān)重要的。

一、井下組網(wǎng)

東山煤礦井下組網(wǎng)方式采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)總線模式。控制層采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，通訊網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下各采區(qū)之間與地面監(jiān)控機(jī)房相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸，并可靠防止任一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，而影響安全監(jiān)測(cè)；設(shè)備層采用現(xiàn)場(chǎng)總線的方式。

1.工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。煤礦井下工業(yè)以太網(wǎng)是指技術(shù)上與以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品，在材質(zhì)、強(qiáng)度、實(shí)用性、可互操作性、穩(wěn)定性、抗干擾性和防暴、本質(zhì)安全等方面能滿足煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)需要的以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線、星型、環(huán)型，以太環(huán)網(wǎng)是在原來(lái)星型、樹(shù)型、鏈路型等拓?fù)浼軜?gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)的一種高可靠的環(huán)網(wǎng)冗余架構(gòu)。東山煤礦礦井開(kāi)采采用分區(qū)上下山開(kāi)采，為實(shí)現(xiàn)各采區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的方便接入，在各采區(qū)安設(shè)交換機(jī)。假如交換機(jī)A與交換機(jī)B相連，B再與C相連，C再與A相連構(gòu)成一個(gè)環(huán)網(wǎng)，如果ABC不是工業(yè)交換機(jī)，沒(méi)有管理環(huán)網(wǎng)的機(jī)制，那么數(shù)據(jù)會(huì)在環(huán)內(nèi)滾動(dòng)，直到將網(wǎng)絡(luò)堵塞，產(chǎn)生廣播風(fēng)暴。井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)平臺(tái)由地面光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、井下本安環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和防爆電源等組成。工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)有自愈技術(shù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)突然一處故障時(shí)，還能使數(shù)據(jù)安全的到達(dá)目的地。若交換機(jī)ABC均為支持環(huán)網(wǎng)的交換機(jī)，工作時(shí)會(huì)自動(dòng)閉塞其中一個(gè)端口，例如把交換機(jī)A與B相連的A的端口1暫時(shí)關(guān)掉(物理連接是連通的，只是芯片把端口1關(guān)掉)，B的數(shù)據(jù)是不能直接傳輸給A的。如果其他線路采取同樣的措施，那么數(shù)據(jù)傳輸就是B→C→A；當(dāng)線路故障時(shí)，A被關(guān)掉的端口會(huì)在50MS內(nèi)自動(dòng)打開(kāi)，使B和C的數(shù)據(jù)能安全傳輸給A，數(shù)據(jù)傳輸就變成C→B→A，直到C連接A的線路恢復(fù)正常，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。根據(jù)井下特殊環(huán)境和條件要求，工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的機(jī)箱需要防暴、防塵、防潮，交換機(jī)芯片工作要穩(wěn)定，由本安型電源供電，并可寬電壓接入。東山煤礦井下交換機(jī)使用的是N-TRON 9000交換機(jī)，該交換機(jī)可提供超凡的性能，能夠通過(guò)完整的管理功能輕松安全地連接工業(yè)設(shè)備。采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方便、投資比較小、可靠性高、傳輸速度較快，適應(yīng)井下復(fù)雜、多變、惡劣的環(huán)境。

2.現(xiàn)場(chǎng)總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、電力線等，接線十分簡(jiǎn)單。由于一對(duì)雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設(shè)備，因而材料用量少，連接工作量小。當(dāng)設(shè)備需要增加時(shí)，不必要增設(shè)新的電纜，只要連接在就近的原有電纜上即可。它從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差，適合于煤礦中對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)控制較高的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦中各方面的實(shí)時(shí)監(jiān)控。CAN總線是一種分布式的控制系統(tǒng)，很多控制器協(xié)同完成特定功能的任務(wù)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)比較簡(jiǎn)單，可靠性高，使用的線纜少。通常使用CAN-bus總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在合適的位置安裝網(wǎng)橋，形成樹(shù)型或星型拓?fù)?，這樣，方便整個(gè)施工與網(wǎng)絡(luò)布線，節(jié)省電纜成本，又提高了通訊效率，增強(qiáng)了整個(gè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接能力。網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)干線之間采用分支連接，在實(shí)際應(yīng)用中分線要盡可能的短，分支網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到主干線上，多條分支網(wǎng)絡(luò)通過(guò)集線器連接到干線。傳輸介質(zhì)可以使用雙絞線、屏蔽雙絞線、單模光纖。井下傳輸采用礦用單模光纜，能達(dá)到礦井環(huán)境的機(jī)械強(qiáng)度、耐潮、防靜電等性能的礦井專(zhuān)用光纜。

3.工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)總線。由于東山煤礦井下的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，礦井開(kāi)拓方式為斜井開(kāi)拓，存在較多的分支巷道，多為樹(shù)形結(jié)構(gòu)或魚(yú)刺形結(jié)構(gòu)，所以采用以太環(huán)網(wǎng)+CAN總線方式組網(wǎng)模式。第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)控單元和各監(jiān)控點(diǎn)之間的局域網(wǎng)，采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線。每個(gè)分站到通訊接口數(shù)據(jù)協(xié)議相同，每套系統(tǒng)有統(tǒng)一的通訊接口。第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)是遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元的連接，采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。根據(jù)太原東山煤礦采掘情況，現(xiàn)工作面主要分布在五、七采區(qū)，為了加強(qiáng)五、七采區(qū)工作面的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，分別在五、七采區(qū)變電所設(shè)置工業(yè)交換機(jī)。采用以太環(huán)網(wǎng)+CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)CAN總線方式，易于實(shí)現(xiàn)、便于安裝維護(hù)、綜合成本較低。(2)井下各采區(qū)交換機(jī)與地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)通訊穩(wěn)定，傳輸質(zhì)量好，并在地面實(shí)現(xiàn)對(duì)井下交換機(jī)的設(shè)置及通訊設(shè)備的簡(jiǎn)單控制。(3)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議統(tǒng)一，達(dá)到監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)IP地址訪問(wèn)對(duì)應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備。(4)各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)就近的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，且某一分站故障不影響其他區(qū)域。

二、通訊協(xié)議及IP分配

通過(guò)通信信道和設(shè)備互連起來(lái)的多個(gè)不同地理位置的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，要使其能協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)信息交換和資源共享，它們之間必須具有共同的語(yǔ)言。交流什么、怎樣交流及何時(shí)交流，都必須遵循某種互相都能接受的規(guī)則，這個(gè)規(guī)則就是通信協(xié)議。通過(guò)TCP/IP協(xié)議對(duì)各子監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行IP設(shè)置，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的識(shí)別與接入。子系統(tǒng)接入采用以太網(wǎng)接口，即RJ45口，以保證物理通道暢通。IP地址是IP網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊罁?jù)，它標(biāo)識(shí)了IP網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)連接。 對(duì)IP的分配實(shí)行靈活方便的原則，根據(jù)系統(tǒng)分配：一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)用一個(gè)號(hào)段的IP；地面上的計(jì)算機(jī)根據(jù)辦公室的位置分配IP和根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)的職責(zé)范圍分配IP。

三、地面網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1.基于B/S結(jié)構(gòu)的煤礦管理網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)是公共信息傳輸平臺(tái)，為了保證工業(yè)以太網(wǎng)的安全，防止非法用戶的登錄、計(jì)算機(jī)病毒的侵入及傳播，結(jié)合煤礦的實(shí)際安全，生產(chǎn)情況，采用百兆防火墻將工業(yè)以太網(wǎng)與礦管理信息局域網(wǎng)相連；并在監(jiān)控室設(shè)置綜合監(jiān)控服務(wù)器，對(duì)所有監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行收集。用防火墻將工業(yè)以太網(wǎng)和地面局域網(wǎng)物理上隔離，使信息網(wǎng)上的數(shù)據(jù)與控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)在可控的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互訪。這樣，以太網(wǎng)的信息只能單向地傳輸給地面的WEB服務(wù)器，公司領(lǐng)導(dǎo)可在辦公室隨時(shí)了解井下實(shí)際情況，管理人員能通過(guò)地面上的PC終端的IE瀏覽器訪問(wèn)綜合監(jiān)控服務(wù)器，隨時(shí)了解井下各種監(jiān)測(cè)點(diǎn)情況；并在地面實(shí)現(xiàn)對(duì)井下交換機(jī)的設(shè)置和通訊設(shè)備的簡(jiǎn)單控制。

2.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)選型。太原東山煤礦現(xiàn)主采15#煤層，該煤層屬于易燃煤層，有爆炸性，采煤工作面必須安設(shè)一氧化碳、溫度等多種傳感器。該礦選擇KJ95N綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控分站外接8路模擬量輸入，8路開(kāi)關(guān)量輸入，8路開(kāi)關(guān)量輸出。檢測(cè)點(diǎn)多，滿足15#煤層多種類(lèi)多傳感器的使用。KJ95N綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)分站自主性、適應(yīng)性強(qiáng)，分站、傳感器及執(zhí)行器組成工作單元，可獨(dú)立工作。當(dāng)分站與中心站失去聯(lián)系能存儲(chǔ)24小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可執(zhí)行甲烷風(fēng)電閉鎖，以保證通訊中斷后正常監(jiān)測(cè)，提高安全礦井安全性。

煤礦安全工作隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控設(shè)備在煤礦井下的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)及通信系統(tǒng)中，是未來(lái)煤礦發(fā)展的趨勢(shì)，為礦井的安全、數(shù)字化通訊奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為煤礦企業(yè)安全信息化發(fā)展帶來(lái)巨大的發(fā)展。

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