組網(wǎng)技術(shù)在太原東山煤礦中的運用

□古玲聰

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學院，山西 太原 030031)

太原東山煤礦有限責任公司是一座設(shè)計能力為年產(chǎn)150萬噸的礦井，礦井面積28.8Km2，地質(zhì)儲量24600萬噸，可采儲量6000萬噸。礦井開拓方式為斜井開拓，屬低瓦斯礦井，礦井的現(xiàn)開采煤層為12#、15#煤層，15#煤層容易自燃，煤塵具有爆炸性，煤層平均厚度6.5米。12#煤層不易自然，煤塵具有弱爆炸性,煤層平均厚度2米。煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境復雜、多變、條件惡劣，計算機網(wǎng)絡(luò)是煤礦安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。在監(jiān)控系統(tǒng)中，所有監(jiān)測設(shè)備通過信號轉(zhuǎn)換經(jīng)交換機與地面監(jiān)控機通訊，監(jiān)控機房的各類監(jiān)測信息需要共享綜合，提供局域網(wǎng)內(nèi)隨時瀏覽功能。這樣，在煤礦的井下與井上組建合適的局域網(wǎng)是至關(guān)重要的。

一、井下組網(wǎng)

東山煤礦井下組網(wǎng)方式采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場總線模式。控制層采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，通訊網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)井下各采區(qū)之間與地面監(jiān)控機房相互聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸，并可靠防止任一節(jié)點出現(xiàn)問題，而影響安全監(jiān)測；設(shè)備層采用現(xiàn)場總線的方式。

1.工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。煤礦井下工業(yè)以太網(wǎng)是指技術(shù)上與以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品，在材質(zhì)、強度、實用性、可互操作性、穩(wěn)定性、抗干擾性和防暴、本質(zhì)安全等方面能滿足煤礦井下現(xiàn)場需要的以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)可以是總線、星型、環(huán)型，以太環(huán)網(wǎng)是在原來星型、樹型、鏈路型等拓撲架構(gòu)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)的一種高可靠的環(huán)網(wǎng)冗余架構(gòu)。東山煤礦礦井開采采用分區(qū)上下山開采，為實現(xiàn)各采區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的方便接入，在各采區(qū)安設(shè)交換機。假如交換機A與交換機B相連，B再與C相連，C再與A相連構(gòu)成一個環(huán)網(wǎng)，如果ABC不是工業(yè)交換機，沒有管理環(huán)網(wǎng)的機制，那么數(shù)據(jù)會在環(huán)內(nèi)滾動，直到將網(wǎng)絡(luò)堵塞，產(chǎn)生廣播風暴。井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)平臺由地面光纖環(huán)網(wǎng)交換機、井下本安環(huán)網(wǎng)交換機和防爆電源等組成。工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)有自愈技術(shù)，當網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)突然一處故障時，還能使數(shù)據(jù)安全的到達目的地。若交換機ABC均為支持環(huán)網(wǎng)的交換機，工作時會自動閉塞其中一個端口，例如把交換機A與B相連的A的端口1暫時關(guān)掉(物理連接是連通的，只是芯片把端口1關(guān)掉)，B的數(shù)據(jù)是不能直接傳輸給A的。如果其他線路采取同樣的措施，那么數(shù)據(jù)傳輸就是B→C→A；當線路故障時，A被關(guān)掉的端口會在50MS內(nèi)自動打開，使B和C的數(shù)據(jù)能安全傳輸給A，數(shù)據(jù)傳輸就變成C→B→A，直到C連接A的線路恢復正常，整個網(wǎng)絡(luò)會恢復到原來的狀態(tài)。根據(jù)井下特殊環(huán)境和條件要求，工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機的機箱需要防暴、防塵、防潮，交換機芯片工作要穩(wěn)定，由本安型電源供電，并可寬電壓接入。東山煤礦井下交換機使用的是N-TRON 9000交換機，該交換機可提供超凡的性能，能夠通過完整的管理功能輕松安全地連接工業(yè)設(shè)備。采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方便、投資比較小、可靠性高、傳輸速度較快，適應(yīng)井下復雜、多變、惡劣的環(huán)境。

2.現(xiàn)場總線。現(xiàn)場總線主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、電力線等，接線十分簡單。由于一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設(shè)備，因而材料用量少，連接工作量小。當設(shè)備需要增加時，不必要增設(shè)新的電纜，只要連接在就近的原有電纜上即可。它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差，適合于煤礦中對數(shù)據(jù)傳輸和實時控制較高的要求，實現(xiàn)對煤礦中各方面的實時監(jiān)控。CAN總線是一種分布式的控制系統(tǒng)，很多控制器協(xié)同完成特定功能的任務(wù)；每個節(jié)點比較簡單，可靠性高，使用的線纜少。通常使用CAN-bus總線型拓撲結(jié)構(gòu)，并在合適的位置安裝網(wǎng)橋，形成樹型或星型拓撲，這樣，方便整個施工與網(wǎng)絡(luò)布線，節(jié)省電纜成本，又提高了通訊效率，增強了整個的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接能力。網(wǎng)絡(luò)中的各個CAN節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)干線之間采用分支連接，在實際應(yīng)用中分線要盡可能的短，分支網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到主干線上，多條分支網(wǎng)絡(luò)通過集線器連接到干線。傳輸介質(zhì)可以使用雙絞線、屏蔽雙絞線、單模光纖。井下傳輸采用礦用單模光纜，能達到礦井環(huán)境的機械強度、耐潮、防靜電等性能的礦井專用光纜。

3.工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場總線。由于東山煤礦井下的結(jié)構(gòu)比較復雜，礦井開拓方式為斜井開拓，存在較多的分支巷道，多為樹形結(jié)構(gòu)或魚刺形結(jié)構(gòu)，所以采用以太環(huán)網(wǎng)+CAN總線方式組網(wǎng)模式。第一級網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)控單元和各監(jiān)控點之間的局域網(wǎng)，采用CAN現(xiàn)場總線。每個分站到通訊接口數(shù)據(jù)協(xié)議相同，每套系統(tǒng)有統(tǒng)一的通訊接口。第二級網(wǎng)絡(luò)是遠程計算機和設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)控單元的連接，采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。根據(jù)太原東山煤礦采掘情況，現(xiàn)工作面主要分布在五、七采區(qū)，為了加強五、七采區(qū)工作面的自動監(jiān)測，分別在五、七采區(qū)變電所設(shè)置工業(yè)交換機。采用以太環(huán)網(wǎng)+CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，有以下優(yōu)點：(1)CAN總線方式，易于實現(xiàn)、便于安裝維護、綜合成本較低。(2)井下各采區(qū)交換機與地面監(jiān)控計算機通訊穩(wěn)定，傳輸質(zhì)量好，并在地面實現(xiàn)對井下交換機的設(shè)置及通訊設(shè)備的簡單控制。(3)通過信號轉(zhuǎn)換實現(xiàn)通訊協(xié)議統(tǒng)一，達到監(jiān)控計算機通過IP地址訪問對應(yīng)信號轉(zhuǎn)換設(shè)備。(4)各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過就近的網(wǎng)絡(luò)交換機實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，且某一分站故障不影響其他區(qū)域。

二、通訊協(xié)議及IP分配

通過通信信道和設(shè)備互連起來的多個不同地理位置的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，要使其能協(xié)同工作實現(xiàn)信息交換和資源共享，它們之間必須具有共同的語言。交流什么、怎樣交流及何時交流，都必須遵循某種互相都能接受的規(guī)則，這個規(guī)則就是通信協(xié)議。通過TCP/IP協(xié)議對各子監(jiān)控系統(tǒng)進行IP設(shè)置，實現(xiàn)各系統(tǒng)的識別與接入。子系統(tǒng)接入采用以太網(wǎng)接口，即RJ45口，以保證物理通道暢通。IP地址是IP網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊罁?jù)，它標識了IP網(wǎng)絡(luò)中的一個連接。 對IP的分配實行靈活方便的原則，根據(jù)系統(tǒng)分配：一個獨立的系統(tǒng)用一個號段的IP；地面上的計算機根據(jù)辦公室的位置分配IP和根據(jù)領(lǐng)導的職責范圍分配IP。

三、地面網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1.基于B/S結(jié)構(gòu)的煤礦管理網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)是公共信息傳輸平臺，為了保證工業(yè)以太網(wǎng)的安全，防止非法用戶的登錄、計算機病毒的侵入及傳播，結(jié)合煤礦的實際安全，生產(chǎn)情況，采用百兆防火墻將工業(yè)以太網(wǎng)與礦管理信息局域網(wǎng)相連；并在監(jiān)控室設(shè)置綜合監(jiān)控服務(wù)器，對所有監(jiān)測信息進行收集。用防火墻將工業(yè)以太網(wǎng)和地面局域網(wǎng)物理上隔離，使信息網(wǎng)上的數(shù)據(jù)與控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)在可控的狀態(tài)下實現(xiàn)數(shù)據(jù)互訪。這樣，以太網(wǎng)的信息只能單向地傳輸給地面的WEB服務(wù)器，公司領(lǐng)導可在辦公室隨時了解井下實際情況，管理人員能通過地面上的PC終端的IE瀏覽器訪問綜合監(jiān)控服務(wù)器，隨時了解井下各種監(jiān)測點情況；并在地面實現(xiàn)對井下交換機的設(shè)置和通訊設(shè)備的簡單控制。

2.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)選型。太原東山煤礦現(xiàn)主采15#煤層，該煤層屬于易燃煤層，有爆炸性，采煤工作面必須安設(shè)一氧化碳、溫度等多種傳感器。該礦選擇KJ95N綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控分站外接8路模擬量輸入，8路開關(guān)量輸入，8路開關(guān)量輸出。檢測點多，滿足15#煤層多種類多傳感器的使用。KJ95N綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)分站自主性、適應(yīng)性強，分站、傳感器及執(zhí)行器組成工作單元，可獨立工作。當分站與中心站失去聯(lián)系能存儲24小時監(jiān)測數(shù)據(jù)，可執(zhí)行甲烷風電閉鎖，以保證通訊中斷后正常監(jiān)測，提高安全礦井安全性。

煤礦安全工作隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控設(shè)備在煤礦井下的應(yīng)用越來越廣泛，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)及通信系統(tǒng)中，是未來煤礦發(fā)展的趨勢，為礦井的安全、數(shù)字化通訊奠定了堅實的基礎(chǔ)，為煤礦企業(yè)安全信息化發(fā)展帶來巨大的發(fā)展。

參考文獻：

[1]趙洪剛等.工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)在煤礦井下的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2006，(6).

[2]許洪華.現(xiàn)場工業(yè)總線與以太網(wǎng)技術(shù)[M].北京：北京電子工業(yè)出版社,2008.

[3]劉永華.計算機組網(wǎng)技術(shù)[M].北京：北京水利水電出版社,2008．