基于萬兆工業環網RSTP協議的煤礦信息化應用

王燕斌,何雨生,馬加力,王 磊,韓 雷

（兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦,山東 兗州 272102）

1 系統概述

興隆莊煤礦于2006年建成千兆級工業以太環網，目前已經運行10年。網絡以單模光纖為主要傳輸介質,建成井下和地面兩個相對獨立而又互聯的環形網絡，雙環通過調度室機房核心交換機連接。礦井現有工業以太環網拓撲結構如下：

礦調度室機房部署2臺西門子1000M工業以太網交換機作為網絡核心交換機，分別連接地面及井下環網。

1.1 目前主要存在以下問題及網絡升級的必要性

1）地面及井下環網交換機與核心交換機為單點連接，安全性無法得到保證，一旦核心交換機發生故障，將影響整個環網。

2）系統為千兆環網，無法滿足大量高清工業視頻信號的傳輸要求。

3）一旦網絡形成環路，會引起網絡風暴，造成網絡癱瘓。

4）無法形成多個環網結構，便于故障排查和處理。

5）井下UPS電源已連續使用超過10年，電池容量大幅度下降，不能滿足安全規程要求，需要更換。

1.2 系統建設內容

為實現“機械化換人、自動化減人”的行動目標，需在井下重要生產崗點安裝大量高清工業電視攝像機。為滿足高清工業電視系統的數據傳輸要求，升級網絡結構。本次項目創新的設計采用核心骨干萬兆工業以太環及多個千兆以太環混合組網方式，在保護原有千兆工業環網投資的基礎上，對興隆莊煤礦現有千兆工業環網進行優化改造，將骨干網絡節點擴容升級至萬兆工業以太環網。

設計核心骨干萬兆工業以太環由調度室機房部署的2臺萬兆級工業核心交換機，井下3臺萬兆級工業核心交換機組成。同時保持與集團公司連接網絡拓撲不變，將現有鏈路直接連接至調度室機房核心萬兆交換機。在調度室機房安裝兩臺萬兆工業以太網交換機XR528作為網絡核心，同時將井下中央變電所、270變電所、十采變電所升級為礦用隔爆兼本安型萬兆交換機，并與地面核心組成環網，形成井下萬兆骨干工業以太網。每臺萬兆交換機配置3個萬兆光口、4個千兆光口、20個千兆電口、雙路供電模塊，具備三層路由功能。

1）將原有17臺千兆交換機按地域劃分為地面、井下東翼、井下西翼、井下一采區域等數個千兆子環，以相交的方式耦合于萬兆環網。每臺千兆交換機配置2個千兆光口，20個百兆電口。

2）新采購6臺礦用隔爆型UPS不間斷電源，配置24V12AH電池，可在電網停電情況下，滿足交換機2小時以上穩定運行。

本次設計網絡升級拓撲結構圖：

2 系統建設關鍵技術創新點

2.1 技術介紹

1）情況介紹。

原井下工業環網使用礦用隔爆型西門子交換機，井下各系統就近接入井下工業環網交換機，其他地面監控系統及子系統就近接入地面環網交換機。地面信息化機房的設備有H3C云服務器及模塊化的云交換機，H3C的視頻接入交換機，H3C的監測網接入交換機，華為交換機人員定位和無線通訊交換機各1臺，以及各系統工作站客戶端。萬兆工業環網交換機采用的型號是XR528，配套的3路萬兆光模塊，2路萬兆光模塊通訊使用，1路萬兆光模塊備用，千兆工業環網交換機采用的型號是X-400，原來千兆工業環網冗余協議采用的是西門子私有的環網協議，其他廠家的交換機協議無法兼容西門子交換機，不能通過使用trunk端口協議進行數據通訊。

2）關鍵技術。

為了讓工業環網交換機和地面其他廠家交換機協議互相兼容，環網冗余切換采用了RSTP快速生成樹協議，萬兆核心交換機設置為根橋交換機，所有的交換機通過尋找根橋進行通訊，避免了網絡發生環路產生網絡風暴，影響網絡傳輸。冗余使得兩條鏈路互為備用，一條鏈路發生故障，直接自動切換至另一條鏈路傳輸，使用RSTP快速生成書協議傳輸使得各交換機冗余切換得到了兼容和保證，同時各交換機支持TRUNK端口匯聚協議，通過配置虛擬局域網，規劃各系統業務數據，有效降低網絡廣播域的大小，使得云交換機接收萬兆核心交換機各虛擬局域網的數據，轉發各虛擬服務器進行數據采集、應用和存儲。

2.2 網絡協議擴展性

1）交換機協議通用性。生產監測網和高清視頻網數據量大，單一靠一條物理鏈路傳輸，帶寬、穩定性、可靠性都不能保證，由于使用了兼容交換機的RSTP快速生成樹協議，保證了交換機LACP端口鏈路聚合協議的兼容使用，生產監測網和高清視頻網各使用兩條六類網線進行傳輸，增加了網絡帶寬、數據的負載均衡的功能，提高了網絡的可靠性。

2）虛擬云技術交換。H3C云服務器集成了模塊化的云交換機，云服務器可以虛擬多個服務器和軟件定義虛擬網絡，每個虛擬的服務器對應每一個虛擬網絡，就像真實的物理機一樣采集網絡里的數據。云服務器可以實現一鍵新增虛擬機，整合空閑的計算資源，利用虛擬交換機快速組件虛擬網絡，部署配置靈活，使工業網絡的數據更好的進行數據采集、整理和存儲。一臺萬兆核心交換機與云交換機通過光纖連接，云交換機通過端口匯聚TRUNK協議將接收到的各系統數據通過VLAN虛擬局網協議轉發各虛擬云服務器進行數據采集、應用，使得生產監測系統的組態應用，達到系統監測和控制，各系統客戶端通過虛擬云服務器的數據就進行監測、控制、數據存儲等。

云交換機虛擬網絡結構圖：

3 改進措施

1）系統升級改造后兩個月測試萬兆核心交換機，發現萬兆核心交換機時斷時通，但是業務數據不中斷。用網絡測試工具，測試發現視頻網和生產監測網網絡互通。根據網絡安全要求，視頻網和監控網不能互通，查看各環網交換機端口配置和資料，未發現有異常。編寫技術安全措施查找網絡故障，斷開井下環網交換機與萬兆核心環網交換機的連接，用一臺筆記本電腦在萬兆核心交換機進行測試，仍然發現視頻網和生產監測網絡互通，再斷開地面環網交換機和萬兆環網核心萬兆交換機的連接，仍然存在故障隱患，于是把重點放在了萬兆環網核心交換機上，發現萬兆環網核心交換機下掛載一臺去煤場分支的西門子環網交換機，把這臺西門子環網交換機斷開后，視頻網和監測網不再互通，用ping命令測試萬兆核心交換機不再出現時通時斷的故障，到這臺西門子環網交換機現場查看，發現有一個視頻網絡設備同時接到了視頻網和生產監測網的端口，導致兩個虛擬局域網的數據聯通影響萬兆核心交換機的管理。斷開那臺西門子交換機生產監測網的端口，恢復環網交換機到萬兆核心交換機的通訊，此后沒再發生故障。

2）萬兆環網系統運行四個月后，突然產生大規模的網絡風暴，用筆記本電腦ping命令測試萬兆環網核心交換機不通，重啟萬兆環網核心交換機后恢復正常，幾天后又出現同樣的情況，重啟萬兆環網核心交換機后，重新對各環網交換機的端口進行配置查看，查看后對各環網交換機進行了RJ45端口的RSTP協議關閉措施，只保留主光纖通訊端口RSTP協議的開啟。實施措施后，網絡風暴間隔的時間的延長了，但仍不能避免網絡風暴的產生。

3）通過對各交換機反復查看，發現各交換機之間硬件固件的版本差別很大，懷疑老版本的硬件固件對快速生成樹RSTP協議支持不好，從西門子官網下載新的硬件固件對老的西門子環網交換機進行固件升級，升級后兩個月沒有再發生網絡風暴。

4）萬兆環網運行近一年時，對環網交換機進行運行測試，對各環網交換機進行遠程重啟，在測試過程中，發現有井下三臺、地面一臺交換機重啟時會沖擊萬兆環網核心交換機，造成萬兆核心交換機被沖擊，在地面的測試過程中，發現萬兆環網核心交換機雖然無法通訊，但各地面環網交換機之間是通訊的，根據以往的網絡經驗判斷重啟沖擊萬兆環網核心交換機的原因是老的千兆環網交換機雖然硬件固件升級了，但是對快速生成樹RSTP協議支持不好，無法尋找到萬兆核心根交換機，造成了網絡沖擊，通過更換千兆交換機后的一年時間沒有再發生網絡風暴和網絡沖擊時間。

4 網絡升級總結

萬兆環網使用快速生成樹協議混合組網在國內的礦井實施項目是第一家，無經驗可以利用，該網絡組網方式避免了任何一臺地面萬兆環網核心交換機產生故障，造成系統癱瘓的隱患，任何一臺環網交換機故障都不會造成各系統大量數據的中斷，處理環網交換機故障影響小，恢復環網交換機時間短、速度快，將網絡故障的影響降低最低。在我礦發生的網絡故障原因一是現場施工人員對網絡不了解，造成了網絡的環路，對根交換機有一定的影響，如果不使用RSTP生成樹協議很容易產生網絡風暴，沖擊網絡。二是西門子千兆環網交換機，硬件老化和對快速生成樹RSTP支持不好，更換三臺西門子交換機予以解決。三是西門子私有的冗余協議無法使用LACP端口鏈路協議進行通訊，無法增加帶寬和負載均衡。使用RSTP快速生成樹協議通訊，才能配置機房萬兆環網交換機和地面H3C視頻交換機LACP端口鏈路協議，增加了網絡帶寬和流量負載均衡。通過進行以上各方面的技術措施后，該網絡系統運行兩年，各網絡協議兼容性能良好。

RSTP快速生成樹和私有環網協議功能對比：

5 網絡升級后信息化應用

各系統監控信息通過工業環網傳輸，實現了信息的跨系統利用，在安全、生產、經營、管理等各個方面發揮了積極的作用。目前已建成集監測監控管理平臺、生產技術管理智能分析軟件、礦山安全智能化預警系統的煤礦安全生產動態信息系統，實現了各子系統的接入融合。初步實現了以下效果：

5.1 信息采集數字化

礦井先后建設了安全監測、光纖綜合監測、人員定位、高清工業視頻、微震監測、水文監測、機電設備管理等系統，特別是激光甲烷傳感器和采空區測溫光纜等新技術、新裝備的應用，能夠全方位監控井下環境信息和主要機電設備運行參數，并通過礦井萬兆骨干工業環網傳輸到地面調度指揮中心，實現了現場環境和設備信息的數字化采集。

5.2 遠程集控自動化

建立了地面集控中心，將高清工業視頻與遠程集控自動化系統有效結合，完成了膠帶運輸、供電、排水、壓風等系統的遠程集控改造，實現了井下皮帶、變電所、泵房的無人值守，減少了現場操作、巡檢人員，降低了安全管控難度。

工業網絡升級為萬兆工業環網后，在井下安裝了近100多個數字高清攝像頭，主要安裝在皮帶溜煤眼，有保護裝置的皮帶機頭、機尾，主煤流皮帶，共減少皮帶崗位工6名。通過地面工業環網建設煤場計量衡過磅系統，設置了計量衡虛擬局域網。與傳統的辦公網絡建設煤場計量衡相比，工業環網專用虛擬局域網更加快速、穩定，方便查找故障。煤場計量衡系統減少了過磅人員4名，通過電子標簽進行車輛管理，提高了過磅效率，減少人為干預，發運數據與集團公司云計算數據中心實時交互，實現了集團公司對發運業務數據的統管。

5.3 生產設計可視化

建成了礦井三維地理信息系統，實現了井下巷道環境、人員位置和設備運行狀態的三維實時可視化，配套開發了采掘設計、輸配電、通風、供排水等三維仿真系統，實現了井下智能調風、事故模擬演練等功能，為礦井生產設計和應急救援提供了可視化支持。

5.4 決策處理智能化

建成了礦井生產云平臺和數據中心，以礦井綜合自動化系統為基礎，以工業大數據分析為手段，建立了設備運維在線監測、圖像智能識別、安全隱患分析等系統，通過多源業務門戶集中展示，全面提升了礦井生產管理與決策的科學性。

在兩化融合及三化建設方面，我礦還承擔了國家“機械化換人、自動化減人”試點示范和省安全監控系統升級改造示范項目，全部按要求完成，并達到示范效果。

5.5 礦井云數據中心

根據集團公司已經建設的私有云架構思路，將興隆莊礦云數據中心納入集團公司整體云計算管理架構下進行統一管理，在集團對礦井云做異地數據災備，做到了可擴展、可復用。建成了礦井工業云平臺，將礦井綜合自動化平臺服務器及其他安全生產系統服務器搭建在云平臺上，極大提升了系統的穩定性、可靠性、可用性，同時有效節省了機房空間，提高了服務器的利用率。

5.6 大數據系統建設

建立了光纖綜合監測系統，與安全監測系統互為補充，形成了多參數、大容量的環境監測系統；建立了大型機電設備在線監測系統，通過設備實時跟蹤及歷史數據分析，實現故障診斷和預測預警；建立了皮帶視頻智能分析系統（10306工作面皮帶），通過視頻智能監測和識別，實現了大煤塊、矸石、錨桿等異物智能報警和聯動，防止堵倉、堆煤、皮帶撕裂等事故的發生；建立了安全隱患分析預警及聯動系統，充分利用煤礦監測技術對危險源進行監控，提取有價值的數據，對風險狀態信息進行分析判斷，為風險預控和安全生產提供了可靠保障。系統主要實現了瓦斯濃度異常分析預警、安全管理分析評價、水文監測分析預警、頂板及沖擊地壓分析、采空區發火分析預警、人員定位分析、氣象監測分析預警、產量監測分析、主要生產系統能耗分析等功能。

5.7 多源業務門戶

建立了多源業務門戶系統，從礦井云數據中心采集抽取各種數據，通過WEB、移動客戶端等多元化的數據展現方式集中展示，并把各種應用系統集成到企業信息門戶下，根據用戶的使用特點和角色不同，形成個性化的應用界面，幫助各級管理人員獲得綜合性的信息并進行集中分析，協助他們做出更有利的決策。

6 結 論

興隆莊煤礦基于萬兆工業環網RSTP協議的煤礦信息化應用，達到了減人提效的要求，生產系統可視化和大數據分析系統為安全生產提供了數據依據，生產云的建設提高了設備使用率，整合系統資源，為信息化建設提供了良好的基礎，實現了興隆莊煤礦的安全、高效生產和國家新舊動能轉換、兩化融合建設的先期目標。