袁鵬偉

（河南能源化工集團(tuán)永煤公司車(chē)集煤礦，河南 永城 476600）

1 煤礦自動(dòng)化、信息化系統(tǒng)骨干—工業(yè)以太網(wǎng)

隨著自動(dòng)化、信息化技術(shù)的發(fā)展，煤礦井下各類(lèi)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備逐漸增多，如監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、IP網(wǎng)絡(luò)廣播、視頻監(jiān)控等信息化系統(tǒng)以及電力監(jiān)控、皮帶集控、泵房自動(dòng)化、主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)、壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制、主提升機(jī)監(jiān)控等生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)在煤礦中得到了廣泛的推廣應(yīng)用。因此建立一套統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸和共享，避免重復(fù)投資和浪費(fèi)，同時(shí)保證高可靠性顯得尤為重要，工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)使用的是透明而統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議，可與各類(lèi)設(shè)備以太網(wǎng)接口兼容，帶寬可達(dá)到1 000M以上且軟硬件成本低廉，硬件設(shè)備可靠性高，能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)，成了煤礦企業(yè)綜合自動(dòng)化建設(shè)的首選網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。本文以西門(mén)子SCALANCE工業(yè)以太網(wǎng)為例，闡述了工業(yè)以太網(wǎng)在煤礦行業(yè)的典型應(yīng)用［1-2］。

2 煤礦網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)規(guī)劃

西門(mén)子SCALANCE交換機(jī)支持HSR和MRP兩種環(huán)網(wǎng)冗余方式，可以通過(guò)HSR及MRP冗余協(xié)議方便地實(shí)現(xiàn)環(huán)形拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，避免單點(diǎn)線路故障造成的網(wǎng)絡(luò)癱瘓。同時(shí)還支持基于Standby技術(shù)的環(huán)間冗余，實(shí)現(xiàn)環(huán)與環(huán)之間的冗余連接。因此，煤礦可根據(jù)地面工業(yè)廣場(chǎng)及井下采區(qū)分布，設(shè)置不同的冗余子環(huán)，通過(guò)冗余鏈路連接至中心機(jī)房主干環(huán)網(wǎng)中。圖1為某一煤礦典型的環(huán)網(wǎng)配置。

井筒上下共分為調(diào)度中心機(jī)房千兆環(huán)網(wǎng)、地面工業(yè)廣場(chǎng)千兆環(huán)網(wǎng)、井下南翼采區(qū)千兆環(huán)網(wǎng)、井下北翼采區(qū)千兆環(huán)網(wǎng)4個(gè)子環(huán)，各個(gè)子環(huán)內(nèi)交換機(jī)之間采用HSR（High Speed Redundancy Ring）協(xié)議搭建冗余環(huán)網(wǎng)，地面調(diào)度中心環(huán)網(wǎng)為主干環(huán)網(wǎng)，負(fù)責(zé)調(diào)度中心各自動(dòng)化系統(tǒng)服務(wù)器的接入，其他3個(gè)子環(huán)通過(guò)Standby方式連接到調(diào)度中心環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)間冗余連接。通過(guò)下圖可見(jiàn)，井上下所有交換機(jī)均可通過(guò)兩條鏈路與其他交換機(jī)連接，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)出現(xiàn)任意一點(diǎn)線路中斷或單個(gè)交換機(jī)故障，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他地點(diǎn)交換機(jī)仍可正常使用，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的高可靠性。

3 子系統(tǒng)業(yè)務(wù)VLAN劃分

VLAN即虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network），是一種通過(guò)將局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備邏輯地而不是物理地劃分成一個(gè)個(gè)VLAN從而實(shí)現(xiàn)虛擬工作組的技術(shù)。VLAN是為解決以太網(wǎng)的廣播問(wèn)題和安全性而提出的，它在以太網(wǎng)幀的基礎(chǔ)上增加了VLAN Tag，用VLAN ID把用戶設(shè)備劃分為不同的虛擬工作組，限制不同工作組間的用戶二層互訪，每個(gè)工作組就是一個(gè)虛擬局域網(wǎng)，可以限制廣播范圍，并能夠形成虛擬工作組，動(dòng)態(tài)管理網(wǎng)絡(luò)。

煤礦井下設(shè)備分布極為分散，同一系統(tǒng)的設(shè)備往往分散在礦井各個(gè)采區(qū)及工作面，因此根據(jù)各系統(tǒng)實(shí)際情況，將各系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備劃分不同的業(yè)務(wù)VLAN，極大降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、控制網(wǎng)絡(luò)流量、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理、提高網(wǎng)絡(luò)的安全性，同時(shí)降低整體網(wǎng)絡(luò)投資。西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)支持基于端口的優(yōu)先級(jí)，可根據(jù)設(shè)備的重要性保證重要數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸，通過(guò)基于端口的QoS（服務(wù)質(zhì)量）控制，可根據(jù)交換機(jī)端口設(shè)置多達(dá)8個(gè)優(yōu)先級(jí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中圖像、聲音、控制數(shù)據(jù)等大量種類(lèi)不同的數(shù)據(jù)同時(shí)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸時(shí)，保障重要數(shù)據(jù)優(yōu)先被傳輸，極大地降低網(wǎng)絡(luò)延遲，有效地控制和監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備［3］。

根據(jù)煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)典型應(yīng)用，可將各VLAN劃分如表1所示：

4 交換機(jī)路由配置

根據(jù)各系統(tǒng)應(yīng)用將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)VLAN，可大大降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，提高網(wǎng)絡(luò)安全性，但VLAN限制了各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，SCALANCE X414-3E交換機(jī)支持三層交換技術(shù)，可通過(guò)配置路由來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的訪問(wèn)。如圖1所示，交換機(jī)S1和S2作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心路由，通過(guò)VRRP組成虛擬路由器，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)VLAN間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。路由配置如表2所示：

5 虛擬路由冗余VRRP

VRRP（虛擬路由冗余協(xié)議）是一種容錯(cuò)協(xié)議，它保證主機(jī)的下一路由器故障時(shí)，可及時(shí)地有另一臺(tái)路由器來(lái)代替，從而保證通訊的連續(xù)性和可靠性。如圖1所示，使用VRRP將S1和S2組成虛擬路由器組，正常情況下S1的路由協(xié)議處于工作狀態(tài)，S2處于備用狀態(tài)，S1故障時(shí)，S2接管路由協(xié)議，保證網(wǎng)絡(luò)正常工作。S1和S2分別有一個(gè)虛擬路由地址一個(gè)虛擬MAC地址，網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)與虛擬路由器進(jìn)行通信，而無(wú)須知道網(wǎng)絡(luò)中物理路由器的任何信息。當(dāng)主路由器S1工作時(shí)，會(huì)每隔一段時(shí)間發(fā)送一個(gè)VRRP組播報(bào)文，通知組內(nèi)的備份路由器主路由器處于正常工作狀態(tài)，當(dāng)組內(nèi)的備份路由器S2長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有收到來(lái)自主路由器的報(bào)文，則將自己轉(zhuǎn)為主路由器。

表1 煤礦工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)劃分

表2 網(wǎng)絡(luò)路由配置

6 基于HSR的環(huán)網(wǎng)配置

如圖1所示，根據(jù)煤礦綜合自動(dòng)化各系統(tǒng)業(yè)務(wù)劃分及設(shè)備將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為4個(gè)子環(huán)，每個(gè)子環(huán)間交換機(jī)組成環(huán)形拓?fù)洌髋_(tái)交換機(jī)通過(guò)冗余環(huán)口進(jìn)行連接。其中1臺(tái)交換機(jī)作為RM（冗余管理器），在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下，RM的一個(gè)冗余環(huán)口會(huì)處于邏輯斷開(kāi)狀態(tài)，這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處于線性結(jié)構(gòu)，RM負(fù)責(zé)監(jiān)控環(huán)網(wǎng)狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上有物理線路斷開(kāi)或交換機(jī)故障，RM管理器會(huì)監(jiān)測(cè)到網(wǎng)絡(luò)異常，同時(shí)通過(guò)一個(gè)替代路徑恢復(fù)另外一種線性結(jié)構(gòu)。SCALANCE交換機(jī)支持基于HSR的環(huán)網(wǎng)協(xié)議，在單個(gè)環(huán)網(wǎng)內(nèi)交換機(jī)小于50臺(tái)的全負(fù)荷狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時(shí)間小于300ms，故障排除后，可恢復(fù)原先的環(huán)形結(jié)構(gòu)，保證網(wǎng)絡(luò)不受影響。

7 基于Standby技術(shù)的環(huán)間熱備

SCALANCE交換機(jī)支持Standby冗余技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)間的網(wǎng)絡(luò)冗余連接。通過(guò)2臺(tái)交換機(jī)各自連接到另一個(gè)環(huán)網(wǎng)，如圖1所示，S3和S4同時(shí)與其他3個(gè)子環(huán)連接，正常狀態(tài)下，S3和S4通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)來(lái)同步自身的運(yùn)行狀態(tài)，其中S3作為MASTER,S4作為SLAVE,在網(wǎng)絡(luò)正常情況下，僅有S3（MASTER）與另外環(huán)網(wǎng)間的連接處于激活狀態(tài)，環(huán)網(wǎng)之間通過(guò)該激活的連接完成數(shù)據(jù)通訊，當(dāng)與MASTER的連接斷開(kāi)時(shí)，SLAVE會(huì)自動(dòng)將連接激活,這時(shí)兩個(gè)環(huán)網(wǎng)間的數(shù)據(jù)通訊就通過(guò)S4（SLAVE）的連接來(lái)完成。如果S3恢復(fù)正常，自動(dòng)激活S3與環(huán)網(wǎng)之間的連接，S4進(jìn)入備用狀態(tài)。

8 基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與管理

SNMP（Simple Network Management Protoco）是基于UDP的一種協(xié)議，專(zhuān)門(mén)用于網(wǎng)絡(luò)管理。SNMP保證管理信息在任意兩點(diǎn)間傳送，便于網(wǎng)絡(luò)管理員在網(wǎng)絡(luò)上的任何節(jié)點(diǎn)檢索信息，進(jìn)行修改和尋找故障，完成故障診斷。SCALANCE工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)支持SNMPV1/V2/V3，可以與WinCC等其他組態(tài)軟件兼容，在監(jiān)控系統(tǒng)中顯示整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)SNMP OPC的方式來(lái)管理和診斷，實(shí)時(shí)顯示工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)工作狀態(tài)。

9 結(jié)語(yǔ)

隨著自動(dòng)化、信息化技術(shù)的發(fā)展，多數(shù)煤礦已安裝或即將建設(shè)多種自動(dòng)化系統(tǒng)。這些監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)大多是在不同階段建設(shè)，處于相互獨(dú)立的狀態(tài)。因此，為了從系統(tǒng)工程的角度對(duì)礦山進(jìn)行統(tǒng)一的自動(dòng)化管理，防止“信息孤島”現(xiàn)象，有效整合各種資源，發(fā)揮自動(dòng)化集成的最大效益，工業(yè)以太網(wǎng)的高可靠性和兼容性成為了最佳選擇，并將在煤礦綜合自動(dòng)化建設(shè)中發(fā)揮更大作用。

［1］謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［2］曹茂虹，徐釗，楊芬，等.基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)電,2007（2）：45-47.

［3］錢(qián)建生，趙培培，李鵬，等.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2005（7）：14-16.