千兆以太網在綜采工作面應用的關鍵問題研究

高思偉

【摘 要】為解決千兆以太網在綜采工作面應用的問題，本文從礦用千兆網絡交換機和礦用千兆網絡通信電纜兩個關鍵問題入手：提出了礦用千兆網絡交換機的硬件和軟件設計方案，并對交換機吞吐量、延時、丟包率等關鍵性能指標進行了測試驗證；提出了礦用千兆網絡通信電纜設計方案，并對線芯及成品電纜的性能指標進行了測試驗證。所設計的千兆網交換機及通信電纜能夠滿足工作面的應用需求，對將千兆以太網應用到煤礦綜采工作面有具有實際指導意義。

【關鍵詞】千兆以太網；綜采工作面；交換機；通信電纜

在工業生產的過程中，隨著自動化技術的發展，生產現場需要聯網的設備逐漸增多。煤礦經過多年的發展，其綜合自動化程度也已經有了非常大的提高。在我國現代化的煤礦井下，千兆乃至萬兆以太網作為通信的主干網絡早已成熟應用，一條通信光纜將遍布在井下各處的需要聯網的子系統連接在一起，包括監測監控系統、人員定位系統等信息化系統以及電力監測、主通風機在線監測等生產過程自動化系統，最終所有的信息匯聚到地面調度中心。通過以太網技術，有效的整合了各個子系統資源，發揮自動化集成的最大效益，在煤礦綜合自動化建設中發揮了巨大的作用[1-4]。

在環境相對的復雜和惡劣的綜采工作面，從2013年開始將百兆以太網技術作為綜采自動化系統中通信主干網，用來傳輸綜采工作面相關的數據、視頻等信息，對于提升綜采系統的自動化程度，提升安全性能起到了重要作用[5]。

但是隨著工作面視頻攝像儀等以太網通信設備越來越多，特別像紅外熱成像儀這類占用大通信帶寬的設備，百兆以太網已經漸漸難以滿足綜采自動化系統的應用需求，在綜采工作面布置千兆以太網已經迫在眉睫。本文從工程應用的角度出發，分析了千兆以太網在綜采工作面應用的兩個關鍵問題并提出解決方案，包括礦用千兆以太網交換機設計與測試，礦用千兆網絡通信電纜設計與測試等。

一、礦用千兆以太網交換機設計與測試

綜采工作面根據煤層的厚度一般分為薄煤層、中厚煤層和厚煤層，中厚煤層和厚煤層的工作面通常有足夠的空間安放各類設備，但是在薄煤層的工作面，高度方向上最低不足1米，對所有設備的體積都有嚴格的要求。隔爆類的設備由于隔爆面的要求體積通常都比較龐大，所以本文的礦用千兆以太網交換機優先選擇設計為本安類設備。

（一）硬件電路設計

硬件電路主要有3部分組成：電源部分、交換部分和控制部分。硬件電路設計框圖如圖1所示：

本安產品最重要的設計就在于電源設計，本文根據交換機芯片的功耗情況，選擇LMZ14203作為整個電路的電源芯片，其具有輸入電容小，輸出電流大，電源紋波小等特點，最大可以提供3A的輸出電流。在電源原理圖設計過程中，根據GB 3836.4的要求，在電源入口處增加防反二極管，過壓保護等，在電源輸出端增加齊納二極管保護。

交換部分選用Marvell公司生產的88E6095作為主芯片，外接25MHz晶振，該芯片P0～P7端口全部集成PHY，支持10/100BASE-TX，P8～P10接口支持SGMII協議，可外接千兆PHY芯片88E1111。本文中根據工作面的實際需要，將其設計為2個千兆電口+4個百兆電口+1個MII接口的模式。其中兩個千兆電口用于交換機之間的互聯互通，4個百兆電口用于接入工作面的視頻攝像儀等以太網設備，1個MII接口用于同控制芯片LPC1830通信。

控制部分選用LPC1830作為主芯片，LPC1830通過MII接口與88E6095交換芯片連接，完成對交換機功能的管理，并提供如VLAN、生成樹、SNMP等協議的支持。LPC1830外接12MHz晶振，并通過SPIFI串行接口擴展Flash，用來存儲程序文件、數據等，通過并行總線接口外擴SRAM，增大程序運行空間；通過I2C總線外擴EEPROM，提供交換機的一些特定代碼以及各種配置信息和參數的存儲空間。

（二）軟件設計

從系統的角度，交換機的軟件可以分為系統軟件、驅動軟件與應用軟件。本文采用uC/OS-II嵌入式實時操作系統，實現任務調度，任務管理，時間管理，內存管理和任務間的通信和同步等功能。驅動軟件部分主要包括LCP1830所用到的SPIFI，I2C，Ethernet等硬件接口驅動。應用軟件部分根據交換機在綜采工作面應用的情況，主要設計STP協議（生成樹協議），端口管理與通信幀統計，VLAN功能[6]。其中通過STP協議可以實現綜采工作面的交換機組成一個環網，提高整個網絡的穩定性和冗余性；端口管理與通信幀統計是監測交換機及所連接設備通信狀態的必須功能；VLAN功能可以實現綜采工作面的以太網按照設備類型劃分子網。劃分了VLAN之后，縮小了ARP攻擊的范圍，提高網絡的安全性；通過VLAN劃分有效控制了廣播報文的傳播，縮小了廣播域的范圍，提高網絡的性能。

（三）千兆以太網交換機性能測試

采用Smartbit SMB600進行交換機性能測試，SMB600的千兆網卡2個千兆口與交換機的千兆口對接，百兆網卡的4個百兆口分別與交換機百兆口對接。（下轉第917頁）

（上接第915頁） 由SMB600按網絡最大負荷往交換機的端口發送測試數據流，交換機將測試數據流接收并按網絡交換機處理轉發回SMB600，然后SMB600將根據所發送的測試流和所收到的數據流，兩相比較來計算出接入器端口的吞吐量、延時、丟包率共3項基本通信指標，丟包率測試結果為0。圖2為吞吐量測試結果截圖，所有網口吞吐量達到100%，圖3為延時測試結果截圖，均為us級別延時。

從測試結果可以看出，本文所設計的礦用千兆網交換機各項技術指標均達到了交換機的性能指標要求，滿足網絡通信的要求。

二、礦用千兆網絡通信電纜設計與測試

在綜采工作面，礦用千兆網交換機布置在液壓支架側。液壓支架在采煤過程中，經常會有推溜、拉架、升降柱等動作，并且支架上還布置有各種液壓閥，液管等其他設備。在這種惡劣的環境下，液壓支架中間的兩臺交換機之間的連接，采用電纜無疑是最適合的方式。千兆以太網網通信用到了網線中所有的4對雙絞線，而常規的網線其防護強度和接線端子的強度均無法適應綜采工作面的惡劣環境。

本文所設計的礦用千兆網絡通信電纜采用重載連接器的接插件，線纜采用鋼絲編制護套防護。由于通常的超五類或者六類網線無法適用于重載連接器的接插件，所以需要定制礦用網線的線芯。定制的線芯采用軟銅導體，標稱截面積0.85mm2，絕緣層采用聚乙烯，線芯兩兩雙絞，總成纜采用扎紗進行繞包，使纜芯圓整、緊密。定制的線芯通過FLUKE DTX進行測試，主要測試指標包括傳輸時延，時延偏離，插入損耗（余量），電阻值等指標。綜采工作面支架側布置交換機時走線長度通常不會超過25m，本次中選取的測試線長度約38米，留有足夠余量。測試結果如表1所示：

將定制的線芯與接插件及鋼絲編制護套組裝為成品線之后，通過Smartbit SMB600的千兆網卡測試礦用千兆網絡通信電纜的通信吞吐量，千兆通信吞吐量達到100%，測試結果如圖4所示：

從測試結果可以看出，本文的所設計的能夠適用于綜采工作面的礦用千兆以太網通信電纜的通信性能滿足千兆以太網的通信要求。

三、結語

千兆以太網應用在綜采工作面，作為通信主干網絡，其最主要的設備就是千兆網交換機。本文從工程應用實際出發，從礦用千兆網交換機和礦用千兆網通信電纜兩個關鍵點著手，提出了設計方案、測試方法，并且通過交換機和通信電纜的測試結果說明了設計方案的可行性。對于將千兆以太網應用到煤礦綜采工作面有具有實際指導意義。

【參考文獻】

[1] 袁鵬偉.工業以太網在煤礦綜合自動化系統中的應用[J].河南科技，2015（8）：12-14.

[2] 孟國勝，白寶國，袁海賓.工業以太網環網+三層物理網絡結構的煤礦自動化網絡平臺[J].煤礦機電，2014（1）：124-126.

[3] 高雷，李靖.工業以太環網在煤礦信息化中的應用于研究[J].山東工業技術，2018（4）：100.

[4] 王培敏.基于以太網的煤礦供電監控系統[J].能源與節能，2018（3）：16-18.

[5] 黃曾華，李森.工業以太網技術在綜采工作面自動化系統中的應用，2013（3）：12-15.

[6] 李金華，王建強，曾金元.基于ARM礦用千兆以太網交換機的設計[J].能源技術與管理，2014，39（3）：160-163.