神東礦區井下萬兆以太環網的設計與應用研究

崔 柳 王占飛 熊 鷹

(1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京市海淀區，100083； 2.北京科技大學教育部金屬礦山高效開采與安全重點實驗室，北京市海淀區，100083； 3.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西省榆林市，719315； 4.陜西匯華數字科技有限公司，陜西省西安市，710000)

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神東礦區井下萬兆以太環網的設計與應用研究

崔 柳1,2王占飛3熊 鷹4

(1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京市海淀區，100083； 2.北京科技大學教育部金屬礦山高效開采與安全重點實驗室，北京市海淀區，100083； 3.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西省榆林市，719315； 4.陜西匯華數字科技有限公司，陜西省西安市，710000)

針對煤礦井下數字通信系統多系統安裝、多系統布設以及維護困難等問題，依據神東礦區區域自動化控制系統及“一網一站”系統的建設需求，提出了煤礦井下萬兆以太環網的總體架構及設計原則，并對具體技術方案、網絡拓撲結構等進行了設計。實際應用表明，通過“一網”的建設，將井下的數字通信統一傳輸到地面進行處理，不僅減少了工程施工量和節省了建設成本，同時也優化了后期的設備維護，避免了以往各個系統單獨傳輸的弊病。

神東礦區 區域自動化 一網一站 萬兆以太環網 數字通信

隨著煤炭開采集中化的發展，神華神東煤炭集團公司正逐步開展區域自動化控制技術的研究與應用。區域自動化控制系統的建設將對井下各個業務系統的接入和承載提出新的要求，而“一網一站”式的無線通信系統能夠實現井下各個分系統統一接入、統一承載、統一管理、統一聯動的一體化管理，其中“一網”就是指礦井有線/無線無縫對接覆蓋的高效、可靠、一體化的井下環網。

然而，由于規劃和建設的滯后以及缺乏統一規劃與部署，神華神東煤炭集團公司的現有系統在建設完成后，各個系統采用獨立專網進行通信，井下的通信線纜雜亂無序，致使維護困難，且重復建設費時費力，造成不必要的浪費。因此，按照“一網一站”的方式，根據神東煤炭集團公司下屬煤礦目前工控設備接入的需求，在調研現有井下無線通信網絡、工業以太環網等技術的基礎上，設計了井下萬兆以太環網，用于進行整體網絡承載，既能夠解決區域自動化項目對各系統的需求，同時又減少了人力物力的投入，降低建設成本。

1 總體架構與設計原則

井下萬兆以太環網作為中央區域自動化控制系統的重要組成部分，是煤礦井下的一條“高速公路”，需滿足井下各個業務系統的接入和承載要求，避免每個系統獨立布線的情況，減少井下布線。中央區域自動化控制系統對井下各個業務接入和承載的要求包括以下兩個部分：

(1)工業控制自動化系統主要分布于井下作業面、各變電所、水泵房和配電點等，工業設備通過FE光口、電口接入井下萬兆以太環網，少數設備通過RS485接口接入；

(2)部分工控設備通過一個串口服務器轉成Ethernet/IP，然后通過FE電口接入環網，同時把串口服務器集成到綜合分站或環網交換機的防爆殼內。

針對上述需求，對井下以太環網進行了總體架構，并為具體設計提出了相關設計原則要求。

1.1 總體架構

井下萬兆以太環網的整體架構可以分為井上和井下兩大部分，總體架構如圖1所示。

(1)井上部分。井上機房部分部署地面核心交換機，與其他礦井的地面核心交換機通過裸光纖連接，組成區域自動化控制專網。同時，基于現有傳輸網建立一張傳輸備份網。當區域自動化控制專網某些節點故障時，可以通過傳輸備份網把礦井下的工業控制數據(不包含視頻數據)傳到區域控制中心，確保重要業務不會發生中斷。

(2)井下部分。井下變電站具有取電方便、灰塵少的特點，環網交換機、一級安全監測監控分站等比較重要的通信設備放置于此，通常部署視頻監控加強防范。井下巷道是通往工作面的人、車通行通道，主要部署綜合分站，在工業控制加入較多的地方部署，滿足工業控制對承載的要求。工作面是井下最重要的生產地點，人多、生產設備多，各種信息分站和傳感器也最多。就近接入二級安全監測監控分站及工作面攝像頭，盡可能地減少工作面的線纜。

圖1 井下萬兆以太環網總體架構

1.2 設計原則

依據建設“一網一站”的情況，井下環網的布點和組網設計需從整體部署上進行考慮，保證后期系統建成后，已經部署的環網交換機和綜合分站位置不必變動。因此，在井下萬兆環網的建設過程中，需遵循如下設計原則：

(1)先進性原則。有效利用設計帶寬，接入多個業務系統；避免以前工業環網已有的弊端；帶寬、接口數量、技術適應性應滿足未來3～5年使用的需要，盡量避免井下多布線和新布線。

(2)隔離變化的原則。根據煤礦井下的工作特點，對網絡進行分層，通過分層減少線纜的變化。主干道內/變電所內設備變動少，主要采用單線高帶寬，減少布線；支干道變化大且設備多，要求站址集成度高，站址到站址間能夠級聯，減少布線。將網絡分成匯聚層和接入層兩層，其中匯聚層的能力做到環網交換機上，接入層的能力在環網交換機和綜合分站上同時具備。骨干環網層與綜合分站層組成完整的井下環網系統。

(3)就近接入原則。工業控制和安全監控系統就近接入環網或者綜合分站，要求環網交換機和綜合分站提供RS485和FE/GE光接口，通過就近接入減少布放長的線纜。

(4)可靠性原則。環網承載多個系統的接入，采用成熟的產品和成熟的環網技術。

(5)接口簡潔原則。減少井下基礎網絡的接入接口種類，盡量使用GE/FE數字光口，保留RS485接口，取消可能的232和CAN接口(對采用這種接口的設備，礦方自行采用外部轉換模塊轉換成GE/FE數字光口)；對“一站”中包含的多個設備，各個系統的互聯接口在內部完成，外部采用GE/FE數字光口。

(6)易安裝性原則。“一網”設備要求在接入新設備的情況下不需要斷電開蓋；綜合分站要求2個人能抬動，重量控制在80 kg以內。

2 井下萬兆以太環網的設計

2.1 技術方案設計

煤礦井下巷道分為主巷道和支巷道，支巷道連接作業面。主巷道距離長，數量相對較少，并且長期使用。主巷道上有變電站，基礎網絡的環網交換機可安裝在變電站里，同時井口和井下輸送系統也可部署環網交換機。巷道上設置綜合分站，接入無線通信基站/語音廣播系統/人員車輛定位系統等。綜合分站從環網交換機光纖引出，根據支巷道的情況，采用鏈型/樹型/環型進行組網。本項目中在綜合分站中只是集成了華為的ATN910i交換機和IP模塊，對外提供本安RS485接口、FE光口和本安FE電口。煤礦井下環網交換機和綜合分站部署示意圖如圖2所示。

為了滿足井下通信的需要，技術方案設計過程主要采取以下6種方法：

(1)10 GE環網統一承載，滿足井下各個業務系統接口和帶寬需求。

(2)綜合分站提供級聯GE端口，支持環型組網/樹型組網/鏈型組網。

(3)綜合分站提供FE光/電接口，接入工業電視、工業自動化設備和監控分站。

(4)綜合分站提供RS485接口，接入工業自動化設備和監控分站。

(5)網絡節點能力滿足各個業務系統就近接入要求，以簡化線纜部署。

(6)“一網一站”的環網交換機和綜合分站采用隔爆兼本安設計滿足煤安要求。

和原有的工業環網相比，對環網的帶寬和性能的可利用率、精確時鐘同步利于演進、新增業務的工程方便性和業務的承載質量保障做了較大的提高，使得多業務能夠承載在“一網”中。

2.2 網絡拓撲結構設計

網絡拓撲依據隔離變化的原則，采用分層設計以減少線纜變化。因此，萬兆環網組網可以分為匯聚和接入兩個部分。萬兆環網組網示意如圖3所示。

圖3 萬兆環網組網示意圖

(1)匯聚層。采用增強型交換機，以10 GE以太網光口組環網；上行通過10 GE光接口連接礦區IP網絡，下行提供GE/FE光接口連接各個綜合接入的業務系統。在設計上支持匯聚層組成多個相切環，以提高網絡的可靠性。環網節點故障倒換時間<50 ms，和節點的數量以及業務負荷無關。根據目前神東礦井的具體情況，環網的總長度支持超過60 km。

(2)接入層。綜合分站上行GE光接口接入萬兆環網，下行GE/FE光接口連接各個業務系統。綜合分站支持3種組網方式：環形、樹形、鏈型。為了減少布線，要求分站支持級聯，級聯次數可達到10級。綜合分站可以與環網成相切環組網，倒換時間<50 ms。特殊情況下綜合分站也支持樹形組網，最多2叉。各種業務終端通過分站接入到網絡中。

2.3 組網可靠性設計

井下10 GE/GE環網中，環網交換機采用在通信運營商成熟使用的以太環網G.8032技術進行保護；同時在設計上使用獨立的硬件NP(網絡處理器)進行故障檢測，發生任意環網交換機的單點故障都能在10～50 ms之內快速倒換而不影響業務，同時也不會對環網的性能產生影響。上行采用雙節點接入井上的環網接入交換機，2臺環網接入交換機采用VRRP主備保護。綜合分站主體采用鏈狀逐級級聯接入環網，在綜合分站的末端再環回接入環網，與10 GE/GE環網形成一個相交或者相切的環，同樣采用G.8032技術進行保護。這樣，單獨某個分站故障或者2個分站之間的連接中斷時，其它分站的數據傳送不受影響。可靠性組網示意圖如圖4所示。

圖4 可靠性組網圖

這種設計有效地避免了原有工業交換環網中的以下幾個問題：一是大量的工業環網保護協議小數據包處理轉發，影響正常數據包的處理，甚至可能對高優先級的數據包造成延時；二是頻繁的工業環網保護協議數據包處理大量占用交換機CPU處理時間，導致CPU處理業務數據包的時間受影響；三是大量工業環網保護協議采用私有協議，兼容性不好；四是倒換時間和節點數相關。

2.4 QoS設計

煤礦井下基礎網絡承載無線通信系統、人員和車輛定位系統、語音廣播系統、工業電視系統、工業自動化系統、安全監控系統等業務系統。不同的業務劃分為不同的VLAN，有效隔離各個業務間的二層互訪，并通過VLAN ID提供最簡單便捷的業務識別區分，為各種業務制定不同的QoS優先級。VLAN標簽統一在ATN設備上設置，環網和綜合分站中的本安綜合轉換模塊只提供下行的本安RS485和FE電接口，其內部不設置VLAN標簽，由ATN交換機統一給連接本安綜合轉換模塊的FE端口分配VLAN。煤礦業務VLAN規劃建議見表1。

表1 煤礦業務VLAN規劃建議

在環網和綜合分站的交換機內部，采用H-QoS特性對不同用戶和不同業務的流量，提供區分的帶寬管理。在煤礦井下通信網絡部署中，環網保持相對穩定，而分站則會因采掘面的推進而搬遷，同時數量也多。為了減少環網上的Tunnel數量，環網層和分站層應分別建立Tunnel。ATN QoS部署示意圖如5所示。

圖5 ATN QoS部署示意圖

3 現場應用實例

大柳塔煤礦是神東煤炭集團所屬的年產2000萬t的特大型現代化高產高效礦井，是神東煤炭集團最早建成的井工礦，位于陜西省神木縣境內，由大柳塔井和活雞兔井組成。相關井下萬兆以太環網的設計內容在活雞兔井進行了部署應用。根據活雞兔井井下主巷道和設備的放置情況，確定主巷道環網交換機的部署站點規劃如圖6所示。

圖6 活雞兔井環網交換機部署示意圖

由圖6可以看出，交換機組環為“1#變電所交換機—2#變電所交換機—22煤三盤區變電所交換機—12集運機頭變電所交換機—下大巷變電所交換機—上大巷變電所交換機——1-2煤主運機頭變電所交換機—井上機房交換機”。1#變電所交換機和1-2煤主運機頭變電所交換機通過不同路徑連接井上機房交換機。井下光纜走線示意如圖7所示，活雞兔井環網主站和綜合分站部署情況見表2。

圖7 井下光纜走線示意圖

站點名稱環網交換機編號接入的綜合分站個數1#變電所交換機1#82#變電所交換機4#1422煤三盤區變電所交換機5#71-2煤主運機頭變電所交換機6#612集運機頭變電所交換機7#17下大巷變電所交換機9#6上大巷變電所交換機10#13設備數量合計771

通過現場實際應用，井下萬兆以太環網可以體現出以下5個優點：

(1)高帶寬。采用10 GE環網，高帶寬滿足所有業務系統的通信需求。

(2)統一承載以太環網。承載的業務系統包含：無線通信系統、人員定位系統、車輛定位系統、工業電視系統、語音廣播系統、調度指揮系統、工業自動化系統，并可作為安全監測監控系統數據傳輸的備用通道。

(3)多業務綜合接入。可接入多業務綜合接入分站，集成無線通信、人員定位、語音廣播、固定IP電話、WiFi熱點共5個分站的功能；ICT系統相關調度通信(無線+固定IP電話+有線調度電話)、人員定位、語音廣播業務系統。

(4)全環網保護方案。工作路徑和保護路徑都設置環網通道，實現50 ms倒換和多點故障恢復能力，確保業務不中斷。

(5)井下變電所交換機共7臺，每臺支持16路，最大可擴展到32路綜合分站，綜合分站支持20路FE/GE接入，則每臺交換機可節省639路光纖鋪設，7臺交換機總共節省4473路光纖鋪設。節約光纖費用約700萬元，目前接入71個綜合分站，至少可擴展1420路業務接入。

4 結語

(1)通過進行“一網”的建設，將煤礦井下數字通信的帶寬提升至GE級，保障了井下數據的并發吞吐能力。

(2)采用環型的網絡結構，提高了網絡的可靠性，尤其是在突發性事件發生時，能提高礦井的救災應急能力。任何一個事故點都采取雙向監測，提高保障的同時，更容易定位，將事故點的視頻、數字信號發送到地面提供決策支持。如12煤集運機頭變電所出現事故，可從22煤三盤區或下大巷雙向將信號發送回地面。

(3)萬兆以太環網留有豐富的對外接口，實現了各個功能設備的接入需求，可減少多系統重復性網絡建設，預計節約金額近2800萬元。同時，如后期維護中遇到故障，可快速定位到每臺綜合分站，從綜合分站向下排除故障，縮小了處理范圍，減少了處理難度，降低了后期維護的工作量，提高了工作效率，預計每年可節約維護費用約800萬元。

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(責任編輯 路 強)

Research on design and application of 10-gigabit Ethernet ring network under the shaft of Shendong mining area

Cui Liu1,2, Wang Zhanfei3, Xiong Ying4

(1.College of Civil and Resource Engineering, Beijing University of Science and Technology, Haidian, Beijing 100083, China; 2.Key Laboratory of Ministry of Education for High Efficiency Exploitation and Safety of Metal Mine, Beijing University of Science and Technology, Haidian, Beijing 100083, China; 3. China Shenhua Shendong Coal Group Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719315, China; 4. Shaanxi Huihua Digital Technology Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710000, China)

Aiming at the problems of multisystem installation, multisystem deployment and difficult maintenance of coal mine digital communication system, according to construction requirements of regional automatic control system and the One Network to One Station system in Shendong mining area, the authors put forward overall structure and design principles of 10-gigabit Ethernet ring network under the shaft, and designed specific technical proposals and network topology. The practical application of the system showed that the construction of One Network realized transmission of digital communications under the shaft to the ground, which not only reduced construction capacity and cost, but also optimized later equipment maintenance and avoided the malady of previous single transmission by each system.

Shendong mining area, regional automation, One Network to One Station, 10-gigabit Ethernet ring network, digital communications

崔柳,王占飛,熊鷹. 神東礦區井下萬兆以太環網的設計與應用研究[J]. 中國煤炭，2017，43(3):78-83，119. Cui Liu, Wang Zhanfei, Xiong Ying. Research on design and application of 10-gigabit Ethernet ring network under the shaft of Shendong mining area[J] .China Coal，2017，43(3): 78-83，119.

TD-918

A

崔柳(1972-)，男，山東慶云人，高級工程師，碩士，北京科技大學土木與資源程學院在讀博士，主要從事礦業工程方面的研究。