魏 冉

（西山煤電集團(tuán)教育中心，山西 太原 030053）

1 引言

為了實(shí)現(xiàn)礦井系統(tǒng)綜合自動化和一體化發(fā)展，需要獲取分布在井下不同位置的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)，對各個子系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制，實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備的相互協(xié)調(diào)工作，通過一根光纖將礦井各個系統(tǒng)連接起來，實(shí)現(xiàn)礦井綜合自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，遍布井下的光纖就組成了礦井綜合自動化系統(tǒng)的骨干—千兆以太環(huán)網(wǎng)。由于礦井設(shè)備是一個龐大的設(shè)備群，分布在井下的各個角落且各個系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，如果所有的控制數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)等通信數(shù)據(jù)都在同一個網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，那么整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)較大，尤其是同時來自眾多設(shè)備的大量視頻數(shù)據(jù)需要通信時，就容易造成通信阻塞，網(wǎng)絡(luò)癱瘓，影響各個自動化系統(tǒng)正常運(yùn)行，最簡單易行的解決方法是設(shè)立獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)。一般情況下，安全監(jiān)控系統(tǒng)必須獨(dú)立于其他系統(tǒng)，獨(dú)自使用一個物理網(wǎng)絡(luò)，但為了避免網(wǎng)絡(luò)堵塞，其他的自動化設(shè)備如果也采用獨(dú)立的物理系統(tǒng)，則需要額外購買設(shè)備，增加成本且維護(hù)難度和成本增加，造成人力物力的浪費(fèi)?；诖?，本文采用VLAN技術(shù)（“虛擬局域網(wǎng)”技術(shù)），既可以保證網(wǎng)絡(luò)通訊通暢穩(wěn)定、子系統(tǒng)相互對立互不干擾，又能夠節(jié)約人力物力，對于礦井實(shí)現(xiàn)綜合自動化發(fā)展具有重要的研究意義。

2 VLAN技術(shù)的特點(diǎn)

VLAN是將一個物理網(wǎng)絡(luò)劃分成多個虛擬局域網(wǎng)的技術(shù)，它具有限制廣播域、提升網(wǎng)絡(luò)利用效率和局域網(wǎng)的安全性等特點(diǎn)。VLAN技術(shù)即為虛擬局域網(wǎng)技術(shù)，可以根據(jù)實(shí)際需求，劃分不同的用戶到不同的工作組，同一工作組的用戶也不必局限于某一固定的物理范圍，且每個工作組具有與實(shí)際產(chǎn)生的物理局域網(wǎng)相同的功能，限制廣播范圍，實(shí)現(xiàn)同組內(nèi)通信，且阻斷不同分組通信，從而提升網(wǎng)絡(luò)利用率。該工作方式具有以下特點(diǎn)：

（1）通過限制廣播域，提升網(wǎng)絡(luò)通信效率。采用VLAN技術(shù)以后，劃分了不同的工作組，把以前需要在整個物理網(wǎng)絡(luò)廣播的區(qū)域限制在一個虛擬的工作組內(nèi)，使廣播域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備減少，廣播區(qū)域范圍大大地減小。與單獨(dú)的一個物理局域網(wǎng)絡(luò)相比，虛擬局域網(wǎng)隔離了廣播，減小了廣播范圍，使網(wǎng)絡(luò)利用率大大的提升。

（2）網(wǎng)絡(luò)管理得到簡化。利用VLAN技術(shù)劃分網(wǎng)絡(luò)的工作組，可以突破共享網(wǎng)絡(luò)中的地理位置限制，而完全根據(jù)管理功能或者需求來劃分，構(gòu)建和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)簡單方便快捷。在礦井綜合自動化系統(tǒng)現(xiàn)場，可以將一個生產(chǎn)系統(tǒng)單獨(dú)分到一個工作組，單個生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部可以相互通信，即使通信出了故障，也不會影響到其他的工作組，管理系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備難度大大降低。

（3）增強(qiáng)局域網(wǎng)安全性。采用VLAN技術(shù)，不同工作組的用戶不能進(jìn)行通信，如同獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)一樣，可以遏制住網(wǎng)絡(luò)病毒的擴(kuò)散，不至于使整個網(wǎng)絡(luò)受到攻擊，將危險控制在工作組內(nèi)；網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，能將故障排查范圍減小，鎖定到某一個工作組內(nèi)，能夠及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。

（4）需要增加費(fèi)用購買設(shè)備。采用了VLAN技術(shù)，需要的交換機(jī)比普通交換機(jī)更加昂貴，必須為二層以上的交換機(jī)。由于不同的工作組內(nèi)無法通信，需要增加路由器，或者三層交換機(jī)這樣具備路由器功能的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)不同工作組間的通信。

3 VLAN在礦井綜合自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

西山煤電鎮(zhèn)城底礦的綜合自動化系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò)為千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，采用三層西門子SCALANCE X414 交換機(jī)，該交換機(jī)具有VLAN換分和路由功能，整個綜合自動化系統(tǒng)劃分為17個子系統(tǒng)。

3.1 VLAN基本劃分原則

VLAN劃分應(yīng)遵循易于管理、系統(tǒng)獨(dú)立和運(yùn)行穩(wěn)定的原則。礦井綜合自動化系統(tǒng)產(chǎn)生兩類數(shù)據(jù)，分類詳見圖1。礦井綜合自動化系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)是分布式控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)（DCS），DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是占用數(shù)據(jù)寬帶小，缺點(diǎn)是系統(tǒng)必須有較高的實(shí)時性，才能滿足其需求。礦井綜合自動化系統(tǒng)采用的芯片數(shù)據(jù)運(yùn)算能力較弱，這時，如果有大量的數(shù)據(jù)要在網(wǎng)絡(luò)中廣播，就會阻塞網(wǎng)絡(luò)，甚至癱瘓。對于分布式控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)（DCS），在系統(tǒng)中一般會有十幾個且分屬不同的部門，對DCS系統(tǒng)的VLAN劃分應(yīng)基于所屬部分進(jìn)行劃分，將同一個部門的DCS系統(tǒng)劃分為一個網(wǎng)絡(luò)工作組。視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，占用寬帶資源多，并且當(dāng)有很多視頻設(shè)備在同一網(wǎng)絡(luò)時，就會給交換機(jī)帶來很大的工作量，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延時、數(shù)據(jù)丟包等故障，所以對于視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行VLAN劃分時，跟DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)一樣按照所屬部門劃分，但由于其容易造成網(wǎng)絡(luò)延時，而DCS數(shù)據(jù)對實(shí)時性要求較高，所以兩者不能共網(wǎng)傳輸。對于網(wǎng)絡(luò)電話，可以將所有的網(wǎng)絡(luò)電話劃分一個獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)。

圖1 數(shù)據(jù)分類

基于以上原則對鎮(zhèn)城底煤礦礦井綜合系統(tǒng)自動化進(jìn)行VLAN劃分。第一，將有軌車和井下架空人車等輔助運(yùn)輸系統(tǒng)劃分為一個虛擬網(wǎng)絡(luò)，相對應(yīng)的視頻監(jiān)控設(shè)備劃分為一個虛擬網(wǎng)絡(luò)；第二，井下主運(yùn)輸系統(tǒng)歸機(jī)運(yùn)隊(duì)負(fù)責(zé)管理，在劃分網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)將井下主運(yùn)輸系統(tǒng)、主煤流計量系統(tǒng)、多條膠帶和膠帶沿線水窩監(jiān)測控制系統(tǒng)劃分為一個虛擬網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)的視頻監(jiān)控設(shè)備劃分為一個虛擬網(wǎng)絡(luò)；第三，選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、地面篩選監(jiān)控系統(tǒng)和巷道頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)是通過一個接口上傳數(shù)據(jù)的，且數(shù)據(jù)采集點(diǎn)少，故此，將它們劃分一個獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)；第四，將心機(jī)房內(nèi)綜合自動化系統(tǒng)集成平臺劃分一個獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)；第五，將機(jī)電隊(duì)管理的井下中央泵房、井下變電所和地面變電所的控制系統(tǒng)劃分一個獨(dú)立虛擬網(wǎng)絡(luò)，由于DCS數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)不能共網(wǎng)傳輸，所以將這些部門的視頻監(jiān)控設(shè)備單獨(dú)劃分一個虛擬網(wǎng)絡(luò)；第六，將分布在裝車站、地面篩分系統(tǒng)和矸石山等設(shè)備位置的視頻監(jiān)控設(shè)備作為一個工作組，劃分為一個虛擬網(wǎng)絡(luò)。

3.2 VLAN劃分操作

（1）設(shè)置新VLAN，設(shè)置流程如下：

（2）設(shè)置VLAN屬性，設(shè)置流程如下：

（3）去除原有VLAN，對應(yīng)端口的設(shè)置，設(shè)置流程如下：

（4）檢查是否正確設(shè)置，檢查流程如下：

3.3 子系統(tǒng)之間的通信

對礦井綜合自動化系統(tǒng)進(jìn)行VLAN虛擬網(wǎng)絡(luò)劃分是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行的，劃分以后，各個系統(tǒng)可以作為一個獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，相互不干擾，但作為一個綜合自動化系統(tǒng)，還需要將整個子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來。子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的基礎(chǔ)就需要綜合系統(tǒng)能實(shí)時獲得和深度集成子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，所有綜合自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計算機(jī)都需要監(jiān)控和管理，部分主機(jī)需要將信息發(fā)送到辦公網(wǎng)絡(luò)，此時，解決各個子系統(tǒng)間通信的問題就需要對各個節(jié)點(diǎn)交換機(jī)進(jìn)行路由配置，以實(shí)現(xiàn)各個子系統(tǒng)的通信。

4 應(yīng)用效果分析

鎮(zhèn)城底煤礦綜合自動化系統(tǒng)使用VLAN技術(shù)以后，突破共享網(wǎng)絡(luò)中的地理位置限制。根據(jù)管理功能或者需求來劃分，構(gòu)建和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)簡單方便快捷，使網(wǎng)絡(luò)故障率大大降低。且各個子系統(tǒng)相互獨(dú)立，有效地遏制了病毒的擴(kuò)散，限制廣播域，網(wǎng)絡(luò)利用率得到大大提升，減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，礦井工作效率大大提高，有效地保證了礦井的安全生產(chǎn)運(yùn)行。

5 結(jié)論

（1）鎮(zhèn)城底煤礦綜合自動化系統(tǒng)采用三層西門子SCALANCE X414交換機(jī)，其輔助運(yùn)輸系統(tǒng)、主運(yùn)輸系統(tǒng)、選煤廠監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)等系統(tǒng)按照VLAN的基本劃分原則劃分為6個獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)。

（2）VLAN技術(shù)的使用突破了共享網(wǎng)絡(luò)中的地理位置限制，構(gòu)建和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)簡單方便快捷，使網(wǎng)絡(luò)故障率大大降低，既保證網(wǎng)絡(luò)通訊通暢穩(wěn)定，子系統(tǒng)相互對立互不干擾，又能夠節(jié)約人力物力。