工業環網技術在西山煤礦環網建設中的應用

王 強

(山西焦煤西山煤電集團公司杜兒坪礦，山西 太原 030022)

西山煤電集團公司現有幾十座煤礦，國有大型煤礦9座，這些煤礦建礦早，開采時間長，井上、下接入系統多，傳輸距離遠，井下巷道復雜;地方整合煤礦建礦晚，開采時間短，井上、下接入系統少，傳輸距離近，井下巷道不太復雜。對井下環網性能要求也不一樣。

目前，西山各煤礦還沒有全部開始建設井下環網，只是在個別礦進行了試點。當前煤礦井下環網主要是由三種技術構成的基于光纖傳輸介質的環網。第一種是用工業以太網交換機建成的井下環網;第二種是基于GEPON(礦用無源光纖網絡)技術建成的井下環網;第三種是基于MCTP(礦用光纖多通道傳輸)技術建成的井下環網。這三種技術建成的井下環網可以實現三網合一，可以將生產監測監控子系統集成到統一的傳輸平臺上。但三種技術又有各自的特點。針對西山各煤礦的不同情況，應該選擇不同技術來建設各煤礦的井下環網。

1 工業以太網交換機的井下環網

工業以太網交換機的井下環網由核心交換機和接入交換機構成。環網特點：1)主干環網采用單模光纖雙芯傳輸，上傳和接收分芯傳輸，傳輸速率100 M/s、1 000 M/s、10 000 M/s。2) 主干環網升級擴展方便，只要是以太鏈路，無論是100 M、1 G或者10 G都可以輕松部署，支持鏈路聚合。3)千兆環網典型自愈時間小于50 ms。4)主干環網每個環可接100臺以內的交換機;交換機之間的距離由不同傳輸距離的光模塊決定(有20 kM，50 kM等)。5)通過網絡視頻服務器、語音網關、CAN/RS485采集模塊，可將數字、視頻、音頻等信號接入環網，不支持非標總線控制協議。6)可以構建每個節點1臺交換機的單環網或每個節點2臺交換機互為備份的雙環網。7)交換機下井安裝前加裝煤礦專用防爆殼，保證在煤礦井下惡劣、危險環境長期安全穩定運行。8)采用QOS、VLAN劃分、故障報警等功能，保證了系統運行的安全性和可靠性。9)交換機可采用全雙工或半雙工通信。10)只要將網絡負荷控制在30%以下，就可以滿足控制網絡的實時性要求。

太原東山煤礦以1 000 M工業以太網交換機構建了井下環網，主要為井下視頻監控系統、人員考勤定位系統等系統提供了集中傳輸的網絡平臺，實現對井下各信息系統的遠程集中監測，但沒有進行地面遠程集中控制。

2 GEPON無源光纖網絡的井下環網

礦用GEPON網絡，采用單根光纖實現數字信號、語音信號、視頻信號的同時傳輸。井下GEPON系統主要由光纖網絡終端OLT，礦用光纜分線器，礦用光纖網元適配器ONT三部分組成。環網特點：1)礦井千兆無源光網絡主干環網采用單模光纖單芯傳輸，上傳和接收同芯傳輸。系統的核心設備OLT在井上，所有入井設備均為礦用本安型，不受井下防爆環境局限。2)OLT有4個1 000 M以太網口，每個1 000 M以太網口可接32臺ONT，每臺ONT有多個10/100 M以太網口和RS－485系統主用以太網接口，有主流通訊協議轉換接口，具有高通用性。3)采用光無源分支技術，單一ONT故障不影響整個環網的運行;光分支點不需要有源設備，只需光分支器即可完成且可級聯使用。4)具有主機和雙纖環路冗余功能，即使在雙環均中斷的情況下仍可以星型方式工作;并有主機和雙纖環路冗余、光纖故障監測報警和自動及手動保護切換的網絡管理功能，傳輸質量高，運行可靠性高。5)視頻、數據、語音等基于IP及現場各類工業總線的綜合傳輸需求，總體投資小于其他建網技術且性能優異。6)主干環網上有10個節點，整個環的傳輸距離10 km;主干環網上有4個節點，整個環的傳輸距離20 km;7)環網冗余切換時間小于100 ms。8)系統帶寬可動態分配，每臺ONT動態分配的流量最大可達100 M帶寬，保證了環網的實時性和傳輸質量。9)主干環網建成后需增加新節點時，調試困難，會影響整個環網的運行。10)下行采用TDM復用廣播方式、上行采用TDMA復用方式。11)系統所有設備具有系統帶寬分配、QOS、VLAN劃分等功能，不支持非標總線控制協議。

霍州煤電集團干河礦應用GEPON技術構建了井下環網，接入了安全監控系統及井下監測分站、井下無線通訊、數字化視頻等系統。采用實時數據庫技術及組態技術，形成了統一的管控指揮應用平臺，實現了供電等系統的遠程控制。但井下相關崗位還有人值守。

3 MCTP多通道傳輸平臺的井下環網

MCTP(礦用多通道傳輸平臺)采用了先進的RPR技術、隧道技術及虛擬網絡等技術，實現語音、視頻、數字信號接入傳輸功能。礦用MCTP技術構建的井下環網特點：1)MCTP技術可以組成多節點雙光纖環網，環網的自愈時間小于50 ms，實現鏈路和系統設備的冗余保護。2)MCTP的節點設備之間直接傳輸距小于45 km。3)CMTP系統具有網絡管理功能，可以實現對整個傳輸網絡的統一監控和管理。4)MCTP傳輸平臺能提供足夠的帶寬和QOS保障。5)MCTP采用隧道技術，各種信號以獨立信道的方式實現實時數據傳輸，各信道間實現了物理上的隔離，確保傳輸的可靠性和實時性。6)不同的業務模板接入不同的信號，有異步數據接入模塊、模擬語音接入模塊、以太網接入模塊等。7)MCTP的網絡節點設備為工業級產品且為本質安全型設備，全部業務模塊均支持熱插拔，極大地方便了設備的日常維護和故障的快速排除。8)支持非標總線控制協議。9)主干環網建成后網絡節點還可以增加。10)MCTP可以構建單環網或雙環網。

山東許廠礦應用MCTP技術構建了井下環網，通過環網實現了井下皮帶、架空乘人裝置等系統的地面遠程控制，做到井下現場無人值守，地面集中控制運行大幅提高煤礦生產能力和安全生產管理水平，減少了井下人員。三種技術對比見表1。

表1 三種技術對比表

通過以上比較研究，三種技術各有優劣。對于地方整合煤礦井下巷道布局簡單、距離短、井下主干環網節點可以一次布置完成、井下沒有采用非標總線控制協議系統、投入資金少且地面對井下集中控制的系統少的煤礦，可以選用礦用GEPON技術構建井下環網。由于GEPON技術的傳輸光的波長是1 310 nm和1 490 nm，所以，整個環網有距離限制。對于9座國有大型煤礦中井下巷道布局復雜且距離遠、井下主干環網節點不能一次布置完成的，需要以后增加，井下沒有采用非標總線控制協議的系統、投入資金較充足且地面對井下集中控制的系統少、視頻信號少的煤礦，可以選用千兆工業以太網交換機技術構建井下環網。對于9座國有大型煤礦中井下巷道布局復雜且距離遠、井下主干環網節點不能一次布置完成，需要以后增加、井下采用非標總線控制協議的系統多、投入資金充足且要求地面對井下集中控制的系統多、視頻信號多，并且井下有些系統要做到無人值守，井下老系統采用總線控制協議類型多、井下模擬電話也要接入環網的煤礦，可以選用礦用MCTP技術構建井下環網。

［1］ 付貴寶．淺談MCTP在煤礦工業以太環網中的應用［J］．山西科技，2008(5)：44－45．

［2］ 韓曉東，范佩磊，鄧 榮．礦用GEPON在祁南煤礦綜合信息監控系統中的應用［J］．工礦自動化，2008(5)：115－116．

［3］ 湯大立，田伊鵬．千兆環型工業以太網在煤礦安全集成監控系統中的應用［J］．煤礦機電，2009(2)：83－85．

［4］ 李世銀，錢建生，孫彥景，等．煤礦工業以太網絡模型研究及應用［J］．華中科技大學學報，2007(3)：46－48．

［5］ 龔道香，石旭剛，黃秀珍．實時工業以太環網交換機的設計［J］．電訊技術，2008(1)：86－89．