挑水河磷礦智能礦山基礎網絡通信平臺設計研究

黃騰龍，陳 蓓，李向東

挑水河磷礦智能礦山基礎網絡通信平臺設計研究

黃騰龍，陳 蓓，李向東

(長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

基礎網絡通信平臺是智能礦山最主要的組成部分之一。通過對3種不同網絡拓撲結構優缺點的對比，設計選用環型+局部星形網絡拓撲方案。根據挑水河磷礦智能礦山數據的不同特點將基礎網絡通信平臺分為工業自動控制信息數據網和六大系統監測監控數據網，并分別對其通信協議標準和設備進行選型匹配，使挑水河磷礦智能礦山基礎網絡通信平臺得到充分應用，并取得了良好的效果。

智能礦山；基礎網絡；交換機；通信協議

0 引 言

智能采礦的核心內涵是建設包括資源、設計、生產、安全及管理等功能集于一體的礦山綜合信息平臺[1]。基礎網絡通信平臺是礦山綜合信息平臺的一個重要基石。然而目前我國智能礦山網絡通信平臺建設過程中又普遍存在整體規劃不到位，系統融合難度大，技術雜亂等問題，因此建設統一標準的基礎網絡通信平臺對建設智能礦山至關重要[2-5]。挑水河磷礦位于湖南宜昌市境內，是集采礦、選礦、充填為一體、年產300萬t的大型礦山。礦區范圍約25 km2，緩傾斜礦體，坑內采用膠帶斜井+斜坡道聯合開拓，分區開采，分采分運，集中出礦。挑水河磷礦基礎網絡通信平臺需要覆蓋的范圍包括地面辦公樓控制中心、選礦廠、充填站、西部主井口房、井下20 km主巷道、支巷道和東部副井口房等?；A網絡通信平臺上傳輸的數據包括工業自動控制信息數據和六大系統監測監控數據等。

1 網絡拓撲結構比較

1.1 網絡拓撲結構設計

方案Ⅰ：干線+局部環型網絡方案?？刂浦行?、選礦廠、充填站等地面設備采用干線連接，自動化子系統通過地面局部環網交換機傳輸至各干線節點交換機接入基礎網絡通信平臺進行通信。井下西部主井口房、西部溜破系統、3#配電硐室、東部溜破系統、東部副井口房采用干線連接，井下重要支巷采用局部環網連接，六大系統監測監控數據通過井下局部環網交換機傳輸至干線節點交換機接入基礎網絡通信平臺。網絡拓撲如圖1所示。

方案Ⅱ：干線+局部星型網絡方案。控制中心、選礦廠、充填站等地面設備采用干線連接，自動化子系統通過地面局部星網交換機傳輸至各干線節點交換機接入基礎網絡通信平臺進行通信。井下西部主井口房、西部溜破系統、3#配電硐室、東部溜破系統、東部副井口房采用干線連接，井下重要支巷采用局部星網連接，六大系統監測監控數據通過井下局部環網交換機傳輸至干線節點交換機接入基礎網絡通信平臺。網絡拓撲如圖2所示。

方案Ⅲ：環型+局部星形網絡方案。從控制中心、選礦廠、充填站穿過井下西部主井口房、西部溜破系統、3#配電硐室、東部溜破系統、東部副井口房后經過礦區內地表公路架線返回控制中心，使整個網絡行成一個大的環型網絡。地面選礦廠控制子系統、充填站控制子系統井下重要支巷從環網交換機往后星型連接。網絡拓撲如圖3所示。

圖1 干線+局部環型網絡拓撲圖

1.2 方案比較

各方案優缺點見表1。從表1可見：方案Ⅲ網絡的可靠性最高，當環型網絡一側斷線時，數據可以從斷線的另一側繼續傳輸，不會影響主要節點網絡的正常通訊。而在礦山生產實際過程中，經常發生主要巷道、主要節點網絡斷線的事故，選擇方案Ⅰ和方案Ⅱ都存在主干網絡癱瘓的風險。選擇方案Ⅲ，雖然會增加一定的設備數量和投資，但能夠保障網絡更為可靠，減少因網絡故障帶來的其他損失。因此，綜合考慮技術、經濟等因素，本次設計選擇方案Ⅲ，即選擇環型+局部星形方案作為挑水河磷礦智能礦山基礎網絡通信平臺的網絡拓撲 結構。

圖2 干線+局部星型網絡拓撲圖

圖3 環網+局部星型網絡拓撲圖

表1 方案Ⅰ、方案Ⅱ和方案Ⅲ優缺點對比

2 基礎網絡通信平臺設計

2.1 總體方案

挑水河磷礦智能礦山基礎網絡通信平臺上傳輸的數據可以分為兩大類，一類是工業自動化控制信息數據，一類是六大系統監測監控數據。工業自動控制信息數據特點是對數據的穩定性和傳輸速率要求都非常高。如井下2500 m膠帶運輸系統，要求控制信號快速傳輸，才能及時起停，要求數據長期可靠穩定，才能長時間連續生產。六大系統監測監控數據的特點是可能在同一時刻產生大量的數據。地面、井下有大量的視頻信號、音頻信號、監測傳感器信號可能在同一時刻同時進行傳輸。若在同一個環網上傳輸工業自動化控制信息數據和六大系統監測監控數據，存在工業自動控制信息數據傳輸延時、甚至指令丟失的情況，因此本設計提出的解決方案是利用一條多芯光纜同時建設兩個主干環網，一個環網用于傳輸工業自動控制信息數據，一個環網用于傳輸六大系統監測監控數據。用一條多芯光纜配備兩套不同的環網交換機，組成工業自動控制信息網和六大系統監測監控網，用雙環網搭建起挑水河磷礦智能礦山基礎網絡通信平臺。不同數據特點的系統可以從工業自動控制信息網和六大系統監測監控網中選擇一個進行數據傳輸，從而避免網絡重復建設和數據沖突。

如圖4所示，挑水河磷礦智能礦山基礎網絡通信平臺共設置環節結點9個，光纜從控制中心、充填站、穿過西部主井口房、西部溜破系統、3#配電硐室、東部溜破系統、東部副井口房沿地面公路架線到選礦廠、返回控制中心。

圖4 挑水河磷礦智能礦山基礎網絡通信平臺示意圖

2.2 工業自動控制信息網

通過工業自動控制信息網進行數據傳輸的數據包括地面選礦廠全流程控制系統、充填控制系統、井下膠帶運輸控制系統、智能通風系統、動力管控系統、破碎機遠程遙控系統等，這些子系統均要求數據傳輸必須實時可靠，但又有不同的特點。如選礦廠全流程控制系統是一個分布式的自動化子系統，而破碎機遠程遙控系統又是一個單一的實時運動控制要求極高的自動化子系統。常用的TCP/IP標準通信協議無法滿足上述各子系統的要求，因此設計選用專用工業控制網絡PROFINET標準更為合適。PROFINET是由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International-PI）推出的新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準。根據響應時間的不同，PROFINET支持以下3種通信方式可以分別應用于本設計工業自動控制信息網的各個子系 統[6-8]。

（1）TCP/IP標準通信協議。TCP/IP是IT領域關于通信協議方面事實上的標準，其響應時間約在100 ms量級，對于地面選礦廠全流程控制系統該響應時間滿足工藝要求。

（2）實時（RT）通信。對于傳感器和執行器設備之間的數據交換，系統對響應時間的要求更為嚴格，一般需要5~10 ms的響應時間。本設計中的充填控制系統壓力傳感器、電動執行閥，需要更快將數據傳輸，采用實時（RT）通信。

（3）等時同步實時（IRT）通信。IRT常常被應用于現場級別的通信系統中，是實時性要求最高的一種控制方式。本設計中的破碎機遠程遙控借鑒運動控制模式（Motion Control）來盡可能提高控制的實時性，保證井下遠程破碎機的作業效率。

設計選擇支持PROFINET通信協議標準的西門子SCALANCE?X系列工業以太網交換機。9個環網節點交換機選用X308-2M網管型交換機，局部星網交換機選X202-2P IRT PRO高防護等級網管型交換機。

X308-2M網管型交換機具有1 個千兆級電氣端口、7 個高速以太網端口和2 個千兆級單模超長距玻璃纖維光學端口。SCALANCE?X308-2M支持最多50個交換機連接一個最長可以達150 km的工業以太環網。當環網一側發生堵塞或斷線時，可以在0.3 s內重構另一側的傳輸路徑，保證網絡可靠通信。

X202-2P IRT PRO高防護等級網管型交換機可用于配置實時和等時同步實時網絡，標準的支網可以同時支持實時數據通訊和標準數據通訊(TCP/ IP)，從而避免了雙重基礎架構的需要；同時具有高的環境適應能力，IP防護等級為IP67，配置2個電氣端口和2個光纖接口。

2.3 六大系統監測監控網

六大系統監測監控網連接的子系統主要包括視頻監控系統，人員定位系統，通信系統等。這些子系統共同具有數據量大，傳輸距離遠，節點數量多，分布面積廣等特點。環網交換機的選型主要考慮以下的技術指標：

（1）背板帶寬。背板帶寬是指交換機總的數據交換能力，是交換機數據處理能力的重要指標。

（2）端口參數。包括端口類型、傳輸速率和數量。端口類型包括RJ-45接口、SC光纖接口。傳輸速率：交換機端口的數據交換速度。目前常見的有10，100，1000 Mbps等。端口數量：不同傳輸速度的端口數量。

（3）個性化功能：如是否帶有VLAN、端口鏡像、組播通信等業務特性。六大系統監測監控網絡連接了多個子系統，帶有VLAN功能的交換機可以將不同子系統劃分VLAN有助于數據的可靠傳輸。

（4）自愈時間。環網交換機組建環網，一條鏈路出現故障會啟用備用線路，網絡會自動恢復，自愈時間指從故障至啟用備用線路的時間。

挑水河磷礦視頻監控系統配置有500個視頻監控攝像頭，80個人員定位基站，30個語音通信基站，因此環網交換機端口應同時配備RJ-45接口和SC光纖接口，端口帶寬選擇1000 Mbps，環網交換機端口數量不少于24個。設計選用MOXA IKS- 6726A作為9個環網交換機，選用MOXA EDS-205A作為局部星網交換機。

MOXA IKS-6726A工業級交換機支持千兆和快速以太網骨干網絡、雙冗余環網和隔離的兩路電源輸入，可以提高通信穩定性，節省布線成本。設備帶有4個千兆網口和24個快速以太網口。支持用于設備管理和監控的Ethernet/IP和Modbus協議，兼容Ethernet/IP和PROFINET協議，進行透明數據傳輸。支持Turbo Ring，Turbo Chain（自愈時間＜20 ms @250臺交換機）。

MOXA EDS-205A有8個快速以太網口和光纖口，支持IEEE802.3/802.3u/802.3x，10/100M，全/半雙工，MDI/MDI-X自適應，對井下惡劣環境有更好的適應性[9-10]。

3 結 論

對比國內其他礦山的基礎網絡通信平臺運行情況，本設計在挑水河磷礦的應用十分成功。如在貴州某大型磷礦，當膠帶控制系統信號接入基礎網絡通信平臺時，控制信號延時嚴重導致膠帶控制系統無法運行，只能另外重新建設專用網絡專供膠帶控制系統使用，造成重復投資；在湖北某鐵礦，井下原有攝像頭80個，在增加50個攝像頭后，導致網絡堵塞，圖像無法正常上傳，在增加了新的網絡環網后，又面臨新舊網絡無法整合的問題，形成許多不必要的麻煩。本設計將實時性可靠性要求極高的工業自動控制網絡與數據量大的六大系統監測監控網絡一起規劃，同時實施，用一根多芯光纜建立了兩個完全獨立的環型網絡，既節省了投資又滿足了兩個不同特點的網絡傳輸需求。

從應用的效果上，挑水河磷礦井下破碎機遠程遙控系統的視頻信號延時小于500 ms，控制信號的延時小于10 ms，完全滿足實際運行需要；井下膠帶運輸系統沒有設置人工崗位，已實現無人值守自動化、智能化運行；井下智能通風系統，排水自動系統，地面選礦廠控制系統，充填控制系統均已穩定連續運行一年多，可靠性非常好。目前，挑水河磷礦智能礦山建設已經取得了階段性成果，得到了各界專家領導的一致好評，其中智能礦山基礎網絡通信平臺發揮了重要的作用。

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(2018-07-13)

黃騰龍(1988—)，男，福建仙游人，碩士，工程師，主要從事充填技術和礦礦山智能化技術研究，Email：467552558@qq.com。