俞 茜，陳 洲

（1.江蘇省安全生產(chǎn)宣傳教育中心，江蘇 南京 210000；2.大屯公司徐莊煤礦信息科，江蘇 南京 210000）

1 研究背景

美國(guó)著名安全工程師海因里希提出的海因里希法則中寫道：重大的事故背后一定會(huì)有29件輕度事故，也存在300件潛在隱患，這就是著名的“300∶29∶1法則”。煤礦事故的發(fā)生不可簡(jiǎn)單認(rèn)定為一個(gè)孤立的事件，雖然事故的發(fā)生只是在一瞬間，但是事故產(chǎn)生根源是企業(yè)安全管理機(jī)制的缺失、工作人員安全生產(chǎn)意識(shí)淡薄。如何將這些輕微事故、潛在隱患、井下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行整合傳輸，分析完善煤礦安全管理機(jī)制，補(bǔ)齊井下安全管理短板，成為煤礦企業(yè)發(fā)展的突出問題。目前以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為依托的煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)在煤礦企業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但多以千兆或多千兆環(huán)網(wǎng)形式建設(shè)，基于萬兆網(wǎng)絡(luò)的高帶寬傳輸系統(tǒng)近幾年才逐漸成熟，并且在不斷完善。煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)是把礦井環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)以及各生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動(dòng)控制子系統(tǒng)通過自動(dòng)化平臺(tái)軟件和高速工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)融合，連接礦級(jí)管理系統(tǒng)和系統(tǒng)防火墻，以實(shí)現(xiàn)全礦井的一體化管控。因此如何在控制成本的前提下，建設(shè)穩(wěn)定可靠快速的煤礦工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)值得相關(guān)工程技術(shù)人員思考。

2 總體技術(shù)要求

如何建設(shè)穩(wěn)定可靠快速的煤礦工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，從技術(shù)的角度講，應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面。

2.1 注重開放性原則

根據(jù)開放性原則要求，所建的系統(tǒng)應(yīng)該是完全開放的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，并且符合IEC61158等國(guó)際公認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，要具備成熟的API接口，方便第三方對(duì)接。

2.2 提供豐富信息傳輸服務(wù)

系統(tǒng)應(yīng)該提供多樣的接入方式，能夠方便支持程序上傳下載、運(yùn)維調(diào)試、數(shù)據(jù)采集、日志記錄等功能，接入方式無需復(fù)雜的二次開發(fā)和額外的硬件支撐，同時(shí)傳輸服務(wù)不影響整體系統(tǒng)的性能；系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，某一子系統(tǒng)或主題出現(xiàn)故障后，不會(huì)對(duì)整體系統(tǒng)有影響。

2.3 支持多種結(jié)構(gòu)模式

數(shù)據(jù)通訊管理結(jié)構(gòu)為B/S結(jié)構(gòu)，同時(shí)也支持B/S、C/S組合控制方式，無需二次開發(fā)即可完成報(bào)文發(fā)送以及數(shù)據(jù)塊傳送。

2.4 高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)速率

網(wǎng)絡(luò)速率的高速和穩(wěn)定是系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)和保障。技術(shù)上要求任意節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳輸速率大于1 000 Mbps，主干線路網(wǎng)速應(yīng)達(dá)到10 000 Mbps。

2.5 靈活的網(wǎng)絡(luò)分段

單一網(wǎng)絡(luò)需提供不小于99個(gè)站點(diǎn)的連接支撐能力并可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，支持靈活的網(wǎng)絡(luò)分段、隔離橋接等技術(shù)方案。

2.6 支持多種傳輸介質(zhì)

需要支持光纖連接和雙絞線，并可以根據(jù)項(xiàng)目情況提供靈活的選擇電纜形式。

2.7 支撐多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)距離傳輸

可以根據(jù)項(xiàng)目的具體情況，支持環(huán)形、星形、總線型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大傳輸距離需要大于15 km，通過中繼方式可擴(kuò)大傳輸距離，最大傳輸距離需大于30 km。

2.8 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理能力

可以進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)診斷和業(yè)務(wù)管理，定期自動(dòng)生成拓?fù)鋱D，反映監(jiān)控狀態(tài)；可以手動(dòng)新增節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，通過導(dǎo)入配置文件，保留原先配置；自動(dòng)完成識(shí)別及推薦配置信息。

2.9 最優(yōu)化冗余配置

系統(tǒng)建設(shè)時(shí)采用光纖環(huán)網(wǎng)方式來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的連接，這種方式的優(yōu)勢(shì)是骨干網(wǎng)上任何一點(diǎn)連接出現(xiàn)故障或者意外斷開，系統(tǒng)都可以通過后備的以太網(wǎng)鏈路，保障整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮物理和邏輯上的網(wǎng)絡(luò)信道冗余，確保整體項(xiàng)目的健壯性。

2.10 自動(dòng)化節(jié)點(diǎn)劃分網(wǎng)絡(luò)和結(jié)構(gòu)調(diào)整

系統(tǒng)可以自動(dòng)按節(jié)點(diǎn)數(shù)量、區(qū)域等策略條件最優(yōu)劃分自動(dòng)化控制網(wǎng)。井下骨干萬兆環(huán)網(wǎng)接入器需要配備4個(gè)以上光纖端口，端口類型為全雙工萬兆，用于連接完整的光纖環(huán)路，井下骨干千兆環(huán)網(wǎng)接入器宜具備3個(gè)及以上全雙工千兆光纖端口。其中一條線路發(fā)生故障或者中斷的情況時(shí)，系統(tǒng)通過自動(dòng)化節(jié)點(diǎn)劃分網(wǎng)絡(luò)和結(jié)構(gòu)調(diào)整使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)修復(fù)，在50 ms以內(nèi)修復(fù)完成。

3 設(shè)備選型與布置注意事項(xiàng)

關(guān)于選型與布置，不管建設(shè)任何系統(tǒng)和工程，一個(gè)科學(xué)合理的設(shè)備選型，都是建設(shè)成功與否的關(guān)鍵，下面就組成網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備，提出一些建議。

3.1 核心交換機(jī)

推薦選用知名品牌、性能穩(wěn)定、可靠、模塊化的多層路由或萬兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。需要有三層交換功能，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)分層進(jìn)行策略控制。核心交換機(jī)設(shè)備配置要求如表1所示。

3.2 礦用防爆型交換機(jī)

礦用防爆型交換機(jī)以井下千兆節(jié)點(diǎn)交換機(jī)為例，應(yīng)井下防爆要求，設(shè)備具有二層交換功能，便于接入子系統(tǒng)的安全策略布署。礦用防爆型交換機(jī)設(shè)備配置要求如表2所示。

表1 核心交換機(jī)設(shè)備配置要求

表2 礦用防爆型交換機(jī)設(shè)備配置要求

3.3 防火墻

用于隔斷管理網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)，保證控制網(wǎng)絡(luò)不受非法數(shù)據(jù)的攻擊，通過互訪規(guī)則，限制兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的訪問。劃定非軍事區(qū)，供控制網(wǎng)向外發(fā)布信息。

并發(fā)連接數(shù)為3.6×106，網(wǎng)絡(luò)吞吐量Gbps為20，4個(gè)萬兆光口SFP模塊（含4個(gè)10 km單模萬兆光模塊），4個(gè)千兆光口SFP模塊（含4個(gè)10 km單模千兆光模塊），4個(gè)千兆電口，進(jìn)出口為萬兆光口SFP模塊。入侵檢測(cè)：Dοs、DdοS。主要支持用戶認(rèn)證、內(nèi)容過濾、系統(tǒng)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)管理、前臺(tái)WEB操作、整體帶寬策略控制等功能。

關(guān)于設(shè)備位置選擇，提出如下原則及優(yōu)點(diǎn)：①宜選擇在變電所，如采區(qū)變電所、皮帶變電所等，因?yàn)榈V用防爆型交換機(jī)雖然有備用電源，但直供電源的選取尤為重要，應(yīng)以穩(wěn)定為主，變電所無疑是最好的選擇；②井下接入設(shè)備超過3臺(tái)級(jí)以上的位置，宜布置礦用防爆型交換機(jī)，因?yàn)檫@樣設(shè)置會(huì)減少光纜的鋪設(shè)數(shù)量，減少線路維護(hù)工作量；③重點(diǎn)場(chǎng)所與重要節(jié)點(diǎn)宜布置或多布置礦用防爆型交換機(jī)，比如某礦井為南北兩翼開采，那么井口的位置就宜設(shè)置兩臺(tái)（南翼、北翼各部署一臺(tái)），有助于提升整體網(wǎng)絡(luò)的安全性和抗災(zāi)能力。

4 應(yīng)用管理

在實(shí)際應(yīng)用過程中，維護(hù)管理尤為重要，如果后期維護(hù)不及時(shí)不到位，將會(huì)紕漏百出，難以發(fā)揮高帶寬網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，甚至影響礦井的安全生產(chǎn)。

維護(hù)管理從以下幾個(gè)方面著手：①應(yīng)選用網(wǎng)管型設(shè)備，不建議選擇非網(wǎng)管型或者非工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，如果是實(shí)在受制于設(shè)備投入，可以選擇國(guó)產(chǎn)品牌；②不應(yīng)將設(shè)備放置在接近水源或者潮濕的地方，電源接頭以及其他設(shè)備連接件需要連接牢固，并經(jīng)常檢查線路的牢固性；③為了使故障處理工作有章可循，便于及時(shí)處理，建議按照以下原則來分析。由軟到硬原則，即發(fā)生故障或未知的網(wǎng)絡(luò)中斷，應(yīng)先從系統(tǒng)配置或系統(tǒng)軟件上著手進(jìn)行排查。如端口發(fā)生故障時(shí)，可以先檢查用戶VLAN表，看看用戶端口是否在表中，然后查詢?cè)摱丝诘臋?quán)限，有沒有被其他系統(tǒng)管理員禁用，如前兩項(xiàng)還未解決問題，可以檢查具體的策略配置，如果排除以上系統(tǒng)和策略上的因素，那可以檢查具體的硬件是否存在問題；由外而內(nèi)原則，即工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)生設(shè)備故障時(shí)，管理人員可以先從指示燈的提示上辨別，根據(jù)說明書中的相關(guān)故障指示操作，然后可以檢查機(jī)器內(nèi)部的部件是否存在故障。不管是否內(nèi)外故障，都需要登錄交換機(jī)來確定具體的問題，然后才能夠采取相應(yīng)的措施修復(fù)問題。

5 結(jié)束語(yǔ)

高帶寬工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)的使用將為新形勢(shì)下控制系統(tǒng)的高速發(fā)展提供可靠的技術(shù)保障，它無需客戶解決研究軟件升級(jí)問題，從而大大減少了人力物力，這是現(xiàn)階段其他現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)所無法比擬的。機(jī)器人技術(shù)、智能制造、應(yīng)急救災(zāi)的發(fā)展都需要擁有更快更穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，礦井“信息高速公路”的建設(shè)，毋庸置疑將使礦井變得更加智能。