馬智峰

摘??要：根據我國當前工業(yè)自動化的發(fā)展成果、葛鋪礦工業(yè)環(huán)網的建設需求、礦井井下巷道的分布結構和礦井未來發(fā)展的需要，從MACH-4002核心交換機的選取到系統VLAN劃分方式等方面，綜述了葛鋪礦綜合自動化環(huán)網平臺的建設方案，并闡述了環(huán)網平臺的使用情況。

關鍵詞：工業(yè)環(huán)網;核心交換機;VLAN;以太網

中圖分類號：TD67????????????????文獻標識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.109

近年來，隨著能源行業(yè)的飛速發(fā)展，我國煤炭企業(yè)需要不斷提升管理水平、節(jié)約管理成本，以適應日趨嚴峻的市場環(huán)境。在此背景下，我國提出了“兩化”融合的戰(zhàn)略目標。所謂“兩化”融合，是指信息化與工業(yè)化的深度結合，旨在以信息化帶動工業(yè)化、以工業(yè)化促進信息化，從而走上新型工業(yè)化的發(fā)展道路。具體而言，煤炭企業(yè)的“兩化”融合目標為煤礦的綜合自動化建設，而煤礦綜合自動化建設的重中之重為工業(yè)以太網平臺的建設。目前，多數煤礦企業(yè)均以工業(yè)以太網形式實現各類自動化控制系統的集中管控，進而形成了完整的管控一體化綜合應用平臺。

簡而言之，工業(yè)以太網是將以太網技術應用于工業(yè)管理和控制領域的局域網技術，在技術層面上可與普通商用以太網（IEEE?802.3標準）兼容，但在實際應用中，在材質的選用、系統的抗干擾性、本質安全性、操作的實時性和交互操作性等方面都需要加強，以滿足工業(yè)現場生產的需要。

工業(yè)以太環(huán)網選用了以太網絡多種拓撲結構中的環(huán)形架構，它可支持各種模式的通信，比如單播、多播和廣播，且能防止數據失序或重復。同時，在數據交換中具有自動檢測環(huán)路的功能，當環(huán)網網絡上設備出現故障或一個方向的光纜斷傳時，能迅速切換至備用鏈路，以保證數據信息的實時、可靠傳輸。

1??礦井的規(guī)劃需求

葛鋪礦井田位于寧武煤田嵐縣勘探區(qū)的中南部，井田面積為9.26?km2，儲煤量為1.4×108?t，可采儲量為9.53×107?t。礦井設計中的生產能力為1.5×106?t/年，服務年限為45.4年，屬資源整合礦井。在規(guī)劃中，強化了礦井日常的管理和控制，充分把握了未來煤礦信息化的發(fā)展方向，以太網建設分別采用了自動化、信息

化等技術手段，并整合了各類自動化系統和信息化系統，最終建成了可共享信息的綜合自動化平臺和綜合信息化平臺。

1.1??網絡拓撲結構

工業(yè)以太網絡一般采用總線結構或環(huán)形結構。為了進一步提高網絡的可靠性，可以采用單環(huán)、雙環(huán)、雙星形或多總線等網絡結構實現網絡冗余。

幾種工業(yè)以太網結構之間的比較如表1所示。

表1??幾種工業(yè)以太網結構之間的比較

星形

環(huán)形

雙星形

雙環(huán)形

網絡

拓撲

描述

一個網絡核心節(jié)點下聯各個分節(jié)點

各個網絡節(jié)點串聯成閉環(huán)結構

雙核心、雙接入節(jié)點，接入節(jié)點分別連接到核心節(jié)點，形成2套網絡

每個網絡節(jié)點具有2?套網絡設備，各個節(jié)點串聯成2套環(huán)網

優(yōu)點

布線簡單、管理方便，可直接通過背板交換，交換速度快

采用分布式網絡，允許光纖出現一處斷點。當發(fā)生連路故障時，網絡可在500?ms內自動切換至總線

采用冗余網絡，允許交換機故障、光纖故障、網線（網卡）故障存在，直接通過背板交換，交換速度快

采用冗余網絡，允許交換機故障、兩處光纖故障、網線（網卡）故障存在，是常用的高級工業(yè)冗余網絡系統

缺點

沒有冗余，且中央交換機的分線過于集中

屬于簡單冗余，當某一交換機發(fā)生故障時，會導致單點網絡故障

布線復雜，所有網絡設備均為雙份，成本高。冗余通過軟件編程實現，因此切換時間與程序編制有較大關系

布線呈雙環(huán)形，布線簡單，其他成本，比如網絡設備、網絡光（電）纜、網卡均為雙份，與雙星形相同

成本

低

最低

最高

高

冗余

時間

基本<500?ms

取決于軟件

鏈路故障恢復<500?ms，其他故障取決于軟件

根據以上4種網絡結構之間的對比，綜合評估實用性、性價比等方面后，結合礦井實際的應用需求，決定對井上系統、井下系統均采用單環(huán)網絡的方式組網。

1.2??礦井環(huán)網的總體設計

葛鋪煤礦礦井千兆控制網絡按區(qū)域、節(jié)點數量、規(guī)模劃分為2個工業(yè)以太網，即1個井上環(huán)網和1個井下環(huán)網。按照區(qū)域、生產自動化系統節(jié)點數量等情況設立網絡接入設備：井上千兆工業(yè)環(huán)網分別于主立井提升機房、副立井提升機房、篩分車間、鍋爐房、礦井水處理站和通風機房處設立節(jié)點;井下千兆環(huán)網于中央變電所、采區(qū)上山膠帶機頭和590水平膠帶機頭處設立節(jié)點，子網之間相互獨立，該網絡運行在一個相對獨立的網段中，且與礦管理局域網絡相聯。

為了達到工業(yè)網絡安全級別的要求，且在兼顧操作和管理上具有便利性，礦井采用了井上、井下系統各通過1個單獨的環(huán)網核心交換機交換信息的方式。使用網段VLAN的劃分可確保每個環(huán)網的單點故障不會影響另外一個環(huán)網的數據傳輸，保證工業(yè)以太網內部的數據傳輸不會出現廣播風暴，導致數據丟失或阻塞。同時，通過合理地分配IP地址，使之與網絡拓撲層次結構相適應，從而提高路由算法的效率、加快路由變化的收斂速度和增強網絡地址的可管理性。

2??環(huán)網的建設方案

2.1??環(huán)網硬件的選擇

由于煤炭行業(yè)生產環(huán)境具有的特殊性，普通材料在抗干擾性、電磁兼容性、可靠性和可用性等方面無法完全適應工業(yè)環(huán)境的要求，因此環(huán)網硬件的選擇應認真、謹慎。

環(huán)型以太網為千兆工業(yè)以太網，可為全礦各個子系統提供方便、靈活的工業(yè)以太網接口。考慮到煤礦企業(yè)今后的自動化改造和設備更新，井上環(huán)網各節(jié)點選用了能夠方便更換和擴展接口的MS4128交換機，交換機采用12芯（GYXTW53-12）單模光纜連接形成的環(huán)路;井下環(huán)網選用了KJJ104隔爆千兆網絡交換機，交換機采用礦用12芯（MGTSV-I）阻燃光纜連接形成的環(huán)路。2個子網通過2臺MACH-4002核心交換機連接，并使用2條通信鏈路分別連接至聯建樓調度中心，以達到上聯鏈路冗余的目的。在此情況下，整體自動化工業(yè)以太環(huán)網形成了由2臺核心交換機、井下環(huán)網、井上環(huán)網組成的雙環(huán)網絡，且每個網絡都由2條鏈路連接至核心設備，以防出現單點故障。

2.2??環(huán)網VALN和IP設置規(guī)劃

VLAN（虛擬局域網）技術可以隔離各控制系統之間的廣播泛濫，從而提高網絡性能，保證各子控制系統之間的獨立，方便多系統實時擴展。按現有子控制系統的數量，可初步劃分為VLAN10和VALN11網段屬于煤礦各控制系統、VLAN21屬于工業(yè)電視系統、VLAN31屬于束管監(jiān)測系統、VLAN41屬于移動通訊系統。

雖然葛鋪煤礦自動化系統網絡的信息節(jié)點較多、業(yè)務較多，但是，整個網絡中的數據信息點較少。因此，以操作簡單、易維護為目的，在項目設計中，應在每個生產監(jiān)控環(huán)節(jié)通訊數據業(yè)務分配一個C類地址段，最大可具有254個主機地址，從而滿足葛鋪煤礦綜合自動化子系統不斷擴大的網絡需求。

2.3??環(huán)網網絡管理

環(huán)網選用赫思曼公司提供的HiVision網絡管理軟件統一管理整個網絡的設備。在HiVision軟件中，可查詢各種故障報警的歷史記錄，能實時查看每個交換機的端口狀態(tài)、通訊流量和設置信息等，并允許使用萬維網瀏覽器訪問并配置網絡設備（通過HTTP提供）。HiVision可與網絡設備有機集成，且無須完成協議轉換。此外，所有的管理信息都通過HTTP協議傳送，具有方便、快捷的特點，且具有操作性和實時性，有利于管理員實時監(jiān)管系統。

3??環(huán)網安全設置

保證網絡的正常運行對于聯網企業(yè)而言十分關鍵，安全的網絡環(huán)境可保證礦方高效、準確地完成日常的生產管理工作。

要想構建安全的網絡環(huán)境，就要有效防范非法入侵者采用的攻擊手段和網絡環(huán)境中存在的漏洞。因此，應有機結合實際的網絡環(huán)境，建立1套安全的防范系統，填補系統中各個級別的漏洞，切斷非法用戶的入侵渠道。礦方可采用以下4種方法保證網絡安全：①在敷設網絡控制層的光纜時，應使用多芯備份光纖，同時，應不定期檢查通信線路的安全性，以保證各信息點訪問的暢通。②在各端口上設定數據流過濾，防止企業(yè)內部的IP地址欺騙。③在設備上設定各類訪問權限，配置訪問控制表，設備內部網絡為只有維護人員可登錄。同時，限制所有來自Internet的用戶對設備的訪問（包括PING、Telnet、Discard、Echo和SNMP等），且只有維護人員可使用SNMP訪問。④結合實際選用1臺SIS-3000-GE-TD隔離網閘，用來連接綜合自動化環(huán)網與企業(yè)信息化管理網絡，從而實現控制層網絡與信息層網絡的有效隔離;在企業(yè)管理網絡與集團公司連接節(jié)點上設置Power?V-3A26-TD防火墻，以保證網絡安全運轉。

4??環(huán)網的運行情況

目前，已投入使用的葛鋪礦綜合自動化環(huán)網平臺運行有序、穩(wěn)定。人員定位系統、束管監(jiān)測系統等監(jiān)測控制子系統均有機集成到環(huán)網平臺中;井下多路工業(yè)視頻信號通過環(huán)網實時傳輸至調度中心，全礦可實時掌握礦井的生產動態(tài);井下各系統分站與地面中心服務器通過環(huán)網及時、準確地傳輸數據;各個子系統運行穩(wěn)定，能夠高效、有序地完成礦井日常監(jiān)測和控制工作。綜合自動化環(huán)網平臺的建設和使用是葛鋪礦建設數字礦山宏偉目標道路上的一個重要里程碑，為今后礦山數字化建設打下了堅實的基礎。

參考文獻

[1]何國家，張瑞璽.第六屆全國煤炭工業(yè)生產一線青年技術創(chuàng)新文集[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

〔編輯：張思楠〕

Discussion?on?the?Gepu?Coal?Mine?Synthetical?Automation?Ring

Network?Platform?Construction?and?Usage

Ma?Zhifeng

Abstract：?The?need?for?the?future?development?of?distribution?structure?and?mine?development?achievements，?according?to?Chinas?current?industrial?automation?Gepu?ore?industrial?ring?network，?the?demand?of?the?construction?of?mine?roadway，?from?MACH-4002?core?switch?selects?to?system?VLAN?decomposition?methods，?summarized?the?construction?scheme?of?Gepu?coal?mine?synthetical?automation?ring?network?platform，?and?describes?the?use?of?ring?network?platform.

Key?words：?industrial?ring?network;?core?switch;?VLAN;?ethernet