王作舟 楊林雪

1.鐵法煤業(yè)集團大數(shù)據(jù)運營有限責任公司 遼寧鐵嶺 112700；2.鐵法煤業(yè)集團供電部 遼寧鐵嶺 112700

1 設(shè)計背景

隨著煤礦智能化采掘工作面技術(shù)的推廣應(yīng)用，涉及到的相關(guān)控制信息、圖像傳輸信息量不斷加大，作為工業(yè)信息傳輸?shù)幕A(chǔ)建設(shè)，萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域重要性已經(jīng)凸顯出來，許多控制器、PLC、智能儀表、DCS系統(tǒng)已經(jīng)帶有以太網(wǎng)接口，這些都標志著工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為真正開放互連的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成式全分布控制系統(tǒng)，具有高度的分散性、實時性、可靠性、開放性和互操作性的特點。特別是在下一步煤礦智慧化礦山建設(shè)趨勢下，各個自動化子系統(tǒng)需要有機地整合在一起，所有的監(jiān)測監(jiān)控管理操作都在一個平臺中運行，萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)建設(shè)將提高了礦井智慧化水平，是實現(xiàn)減員增效和礦井機電設(shè)備的安全運行，提高了煤礦的生產(chǎn)效率的重要保障[1]。

2 設(shè)計原則

此設(shè)計方案是以全礦井智能化采掘基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸為目的編制。項目具有前瞻性，是為以后礦井綜合自動化、智慧型礦山作為基礎(chǔ)而建設(shè)。為以后礦井綜合自動化、智慧型礦山搭建基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)傳輸網(wǎng)絡(luò)[2]。

井下工業(yè)以太網(wǎng)及全礦井綜合自動化系統(tǒng)是創(chuàng)建一流智慧礦山的重要組成部分，是實現(xiàn)全礦井各子系統(tǒng)地面遠程集中控制和監(jiān)測的自動化基礎(chǔ)平臺。建立具有開放協(xié)議的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳輸安全監(jiān)控、語音、視頻圖像信息，為礦方提供可靠的高速信息平臺，對煤礦安全生產(chǎn)、減人提效和科學管理具有重要意義。

采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建的綜合自動化監(jiān)控環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)對煤炭生產(chǎn)、設(shè)備運行、生產(chǎn)調(diào)度、安全監(jiān)測監(jiān)控等實時遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)自動采集，提高對各類問題的準確判斷及應(yīng)急處理能力[3]。

礦井綜合自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容包括：

（1）礦井上下萬兆（10G）智慧傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)；

（2）調(diào)度控制指揮中心的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，部署工業(yè)以太網(wǎng)的核心交換機并連接設(shè)備控制層的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，部署操作員站和工程師站；

（3）網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)，劃分VLAN，使礦井的綜合自動化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全運行；

（4）網(wǎng)絡(luò)管理建設(shè)，建設(shè)綜合自動化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理平臺，對所有工控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、進行集中管理，提高管理水平，降低管理成本。

3 詳細網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1 總線型組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

在總線型組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)下（可理解為星型結(jié)構(gòu)），一個網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點下聯(lián)各個分節(jié)點，布線簡單，管理方便，直接通過背板交換，交換速度快。主要在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)比較簡單、可靠性要求不高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下組網(wǎng)，不適合于煤礦自動化網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)平臺的需求。

圖1 工業(yè)總型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.1.2 環(huán)型組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

環(huán)形組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，屬于分布式網(wǎng)絡(luò)，各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點串聯(lián)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，允許某一傳輸鏈路或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點出現(xiàn)一處斷點。發(fā)生連路故障時，環(huán)網(wǎng)自動在一定時間內(nèi)能切換到總線，屬于簡單而又實用的冗余組網(wǎng)方式，性價比高、可靠性較高。適合于煤礦多業(yè)務(wù)自動化網(wǎng)絡(luò)平臺，可以進一步提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性及安全性。

圖2 工業(yè)環(huán)型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.1.3 雙環(huán)型組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

在雙環(huán)形組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)下，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有2套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，各個節(jié)點串聯(lián)成2套環(huán)網(wǎng)，冗余網(wǎng)絡(luò)，允許交換機、兩處光纖、網(wǎng)線（網(wǎng)卡）四種故障。是常用的高級工業(yè)冗余網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要用于電信核心級網(wǎng)絡(luò)。在煤礦行業(yè)，同一井筒或巷道的雙環(huán)型光纜敷設(shè)時，和單環(huán)網(wǎng)的可靠性一樣，不適合煤礦的實際情況，且雙環(huán)網(wǎng)布線復(fù)雜，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)光（電）纜、網(wǎng)卡均為雙份，成本很非常高。

根據(jù)以上三種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的對比，設(shè)計礦井綜合自動化內(nèi)網(wǎng)中各骨干網(wǎng)絡(luò)均采用單環(huán)網(wǎng)絡(luò)的方式組網(wǎng)，保證整個自動化內(nèi)網(wǎng)的可靠性及在突發(fā)情況下的生存能力。

如果環(huán)網(wǎng)中某個交換設(shè)備或連接鏈路發(fā)生意外中斷的情況，環(huán)網(wǎng)傳輸路徑將選擇反方向正常傳輸，傳輸路徑倒換時間小于50ms，如圖3所示：

圖3 工業(yè)以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)平臺故障自愈

針對**煤礦的特點，可采取地面和井下雙環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時考慮地面核心交換機冗余，本次按以下布點設(shè)計：

整個系統(tǒng)由2個環(huán)網(wǎng)組成，其中井下及地面兩個環(huán)，井下節(jié)點交換機與兩臺核心交換機組成環(huán)實現(xiàn)冗余，地面節(jié)點交換機與核心交換機連接成為井下環(huán)的子環(huán)。

地面信息機房配置2臺三層網(wǎng)管萬兆交換機，作為整個環(huán)網(wǎng)的核心交換機，兩臺核心交換機啟用VRRP協(xié)議實現(xiàn)冗余配置，為終端設(shè)備提供無縫隙的路由交換服務(wù)，兩臺交換機互為備份。在交換機正常時，兩臺交換機各自分擔一部分數(shù)據(jù)流量；當其中一臺交換機出現(xiàn)故障時，另一臺交換機就會自動分擔起所有數(shù)據(jù)流量，數(shù)據(jù)的傳輸不會受到任何的影響。這樣，既達到了負載均衡，又實現(xiàn)了相互備份的目的。

多環(huán)網(wǎng)通信的冗余切換時間：由于采用了工業(yè)以太網(wǎng)頂級廠商的超級冗余環(huán)技術(shù)，使得多環(huán)網(wǎng)通信的故障切換時間得以保證，無論是骨干環(huán)網(wǎng)內(nèi)部、二級環(huán)網(wǎng)內(nèi)部還是多環(huán)之間的通信，故障切換時間均<50ms。

3.2 設(shè)備分布設(shè)計

中心機房配置2臺核心骨干萬兆工業(yè)級交換機。

地面節(jié)點交換機配置2臺骨干萬兆工業(yè)級環(huán)網(wǎng)交換機，分別配置機箱、UPS電源，用于地面子系統(tǒng)等數(shù)據(jù)接入。可根據(jù)實際情況配置UPS電源，保障斷電后持續(xù)工作4h以上。

井下節(jié)點交換機配置3臺礦用隔爆兼本安型萬兆工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)交換機，用于井下系統(tǒng)等設(shè)備接入。配置UPS電源，保障斷電后持續(xù)工作6h以上。

3.3 網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可靠性要求

方案設(shè)計從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)交換機、電源設(shè)計等方面，著重體現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性。

3.3.2 鏈路可靠性要求

根據(jù)實際情況以及設(shè)備情況，規(guī)劃合理的鏈路可靠性，提出有效合理的方案。

3.4 網(wǎng)絡(luò)安全性設(shè)計

3.4.1 路由功能

萬兆骨干核心網(wǎng)應(yīng)支持三層路由功能，采用VLAN技術(shù)以數(shù)據(jù)類別進行邏輯隔離，同時為每個類別數(shù)據(jù)賦予一個網(wǎng)關(guān)以防止單區(qū)域因設(shè)備故障、網(wǎng)絡(luò)病毒等因素產(chǎn)生的廣播風暴時影響到其他區(qū)域。

3.4.2 ACL功能

萬兆骨干核心網(wǎng)應(yīng)支持訪問控制列表（Access Control List），按照數(shù)據(jù)安全等級將萬兆骨干網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進行規(guī)則限制。

3.4.3 數(shù)據(jù)限制功能

萬兆骨干核心網(wǎng)應(yīng)支持數(shù)據(jù)限制功能，按照各礦實際需求將未知組播、廣播等會影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)報文進行有效限制。

3.5 網(wǎng)絡(luò)實時性設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案確保網(wǎng)絡(luò)的實時性：當其中某一段工作中的光纖線路被破壞或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障時，整個網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)快速自愈，并保證在50ms內(nèi)恢復(fù)正常的通訊。

3.6 網(wǎng)絡(luò)開放性設(shè)計

設(shè)計自動化網(wǎng)絡(luò)以標準的TCP/IP協(xié)議建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)接口、軟件符合現(xiàn)有相應(yīng)的國際標準和協(xié)議，全球通用；同時提供開放及擴展的網(wǎng)絡(luò)接口和數(shù)據(jù)接口，保證現(xiàn)有的各類產(chǎn)品以及未來出現(xiàn)的新產(chǎn)品能夠協(xié)同運行，方便數(shù)據(jù)交換、信息共享。

設(shè)計建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)平臺符合國際公認的網(wǎng)絡(luò)標準IEC61158，具有完全開放的，具備成熟的第三方連接能力。

3.7 網(wǎng)絡(luò)可管理性設(shè)計

可以同時發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的所有具有SNMP/ICMP代理結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機或PC機等）；以定時掃描或事件觸發(fā)的方式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組成設(shè)備的狀態(tài)；可以圖形化地真實顯示系統(tǒng)中所安裝的網(wǎng)絡(luò)交換機的設(shè)備外形、設(shè)備端口連接狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)交換機上主要部件的運行狀態(tài)（風扇、機架、電源部件）、報警繼電器接點狀態(tài)以及各種LED指示燈的狀態(tài)；可以同時監(jiān)視一個交換機上多個通訊端口的運行參數(shù)，重要通訊數(shù)據(jù)可以曲線化表示；可以記錄來自網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的多種事件。這些事件包括：報警信息、運行狀態(tài)變化、組態(tài)參數(shù)變化；可以設(shè)置對設(shè)備事件的應(yīng)對方式：短信通知、e-mail通知、在管理站上打開信息窗口；可以將相同的端口設(shè)置參數(shù)設(shè)置到大量的端口上；可以對交換機進行HIPER-Ring、端口鏈路聚合、DualHoming、VLAN、三層路由以及冗余路由的設(shè)置。

3.8 IP地址與路由設(shè)計

3.8.1 網(wǎng)絡(luò)IP地址規(guī)劃

IP地址的合理規(guī)劃是整個自動化系統(tǒng)平臺設(shè)計中的重要一環(huán)，IP地址的合理分配，要與網(wǎng)絡(luò)拓撲層次結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，既要有效地利用地址空間，又要體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)的可擴展性和靈活性，同時要滿足路由協(xié)議的要求，提高路由算法的效率，加快路由變化的收斂速度，同時還要考慮到網(wǎng)絡(luò)地址的可管理性。

按照對網(wǎng)絡(luò)總體規(guī)劃設(shè)計需求，依據(jù)簡單、易維護原則，結(jié)合礦井目前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及地理位置分布情況，要提出合理的IP分配方案，按照生產(chǎn)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)類型來劃分，實施時依據(jù)具體需求來決定選用可行性方式。

3.8.2 網(wǎng)絡(luò)VLAN規(guī)劃

VLAN作為一種網(wǎng)絡(luò)分段技術(shù)，可將廣播風暴限制在一個VLAN內(nèi)部，避免影響其他網(wǎng)段。與傳統(tǒng)局域網(wǎng)相比，VLAN能夠更加有效地利用帶寬。在VLAN中，網(wǎng)絡(luò)被邏輯地分割成廣播域，由VLAN成員所發(fā)送的信息幀或數(shù)據(jù)包僅在VLAN內(nèi)的成員之間傳送，而不是向網(wǎng)上的所有工作站發(fā)送。這樣可減少主干網(wǎng)的流量，提高網(wǎng)絡(luò)速度。

3.9 工業(yè)環(huán)網(wǎng)光纜敷設(shè)

3.9.1 光纜要求

本次方案設(shè)計中，各個安全生產(chǎn)監(jiān)控環(huán)節(jié)現(xiàn)場設(shè)備PLC、PC與工業(yè)以太網(wǎng)交換機連接的線纜使用工業(yè)級快速連接插件及線纜（工業(yè)級標準）。使連接的所有類型的網(wǎng)絡(luò)和終端傳輸數(shù)據(jù)平穩(wěn)，同時亦可實現(xiàn)系統(tǒng)維護方便，重新配置的靈活性。

光纜敷設(shè)全局考慮，統(tǒng)一部署，充分考慮礦井綜合自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各子系統(tǒng)接入設(shè)計，滿足系統(tǒng)后期擴展需求；光纜均采用單模，解決今后擴展問題，均符合標準，使用壽命≥25年；網(wǎng)絡(luò)平臺地面主干光纖選用12芯屏蔽、防水單膜光纖；井下環(huán)網(wǎng)主干光纖選用12芯阻燃鎧裝單膜光纖（MA認證）。

3.9.2 工業(yè)環(huán)網(wǎng)光纜敷設(shè)

由調(diào)度樓中心機房敷設(shè)光纜至井下工作區(qū)峒室形成統(tǒng)一環(huán)網(wǎng)光纜鏈路。光纜敷設(shè)需礦方配合施工。

4 結(jié)語

綜上所述，本次設(shè)計方案是以井下智能化采掘數(shù)據(jù)傳輸為基礎(chǔ)，以礦井綜合自動化、智慧型礦山萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)建設(shè)為前瞻，適應(yīng)未來發(fā)展。在后期的系統(tǒng)運維方面，具備本地化服務(wù)特點，對系統(tǒng)問題響應(yīng)及時、縮短故障救援時間有明顯優(yōu)勢。