井下萬兆工業環網設計方案概述

王作舟 楊林雪

1.鐵法煤業集團大數據運營有限責任公司 遼寧鐵嶺 112700；2.鐵法煤業集團供電部 遼寧鐵嶺 112700

1 設計背景

隨著煤礦智能化采掘工作面技術的推廣應用，涉及到的相關控制信息、圖像傳輸信息量不斷加大，作為工業信息傳輸的基礎建設，萬兆工業以太環網在工業自動化領域重要性已經凸顯出來，許多控制器、PLC、智能儀表、DCS系統已經帶有以太網接口，這些都標志著工業以太網已經成為真正開放互連的工業網絡的發展方向。采用基于工業以太網的集成式全分布控制系統，具有高度的分散性、實時性、可靠性、開放性和互操作性的特點。特別是在下一步煤礦智慧化礦山建設趨勢下，各個自動化子系統需要有機地整合在一起，所有的監測監控管理操作都在一個平臺中運行，萬兆工業以太環網建設將提高了礦井智慧化水平，是實現減員增效和礦井機電設備的安全運行，提高了煤礦的生產效率的重要保障[1]。

2 設計原則

此設計方案是以全礦井智能化采掘基礎數據傳輸為目的編制。項目具有前瞻性，是為以后礦井綜合自動化、智慧型礦山作為基礎而建設。為以后礦井綜合自動化、智慧型礦山搭建基礎網絡傳輸網絡[2]。

井下工業以太網及全礦井綜合自動化系統是創建一流智慧礦山的重要組成部分，是實現全礦井各子系統地面遠程集中控制和監測的自動化基礎平臺。建立具有開放協議的工業網絡系統，傳輸安全監控、語音、視頻圖像信息，為礦方提供可靠的高速信息平臺，對煤礦安全生產、減人提效和科學管理具有重要意義。

采用工業以太網技術，構建的綜合自動化監控環網，實現對煤炭生產、設備運行、生產調度、安全監測監控等實時遠程監控和數據自動采集，提高對各類問題的準確判斷及應急處理能力[3]。

礦井綜合自動化監控網絡系統的建設內容包括：

（1）礦井上下萬兆（10G）智慧傳輸網絡的建設；

（2）調度控制指揮中心的網絡建設，部署工業以太網的核心交換機并連接設備控制層的工業以太環網和數據采集服務器，部署操作員站和工程師站；

（3）網絡安全建設，劃分VLAN，使礦井的綜合自動化控制網絡系統穩定、可靠、安全運行；

（4）網絡管理建設，建設綜合自動化控制網絡系統的網絡管理平臺，對所有工控網絡設備、進行集中管理，提高管理水平，降低管理成本。

3 詳細網絡方案設計

3.1 網絡結構設計

3.1.1 總線型組網拓撲結構

在總線型組網拓撲結構下（可理解為星型結構），一個網絡核心節點下聯各個分節點，布線簡單，管理方便，直接通過背板交換，交換速度快。主要在網絡業務比較簡單、可靠性要求不高的網絡環境下組網，不適合于煤礦自動化網絡多業務平臺的需求。

圖1 工業總型組網結構

3.1.2 環型組網拓撲結構

環形組網拓撲結構，屬于分布式網絡，各個網絡節點串聯成閉環結構，允許某一傳輸鏈路或網絡節點出現一處斷點。發生連路故障時，環網自動在一定時間內能切換到總線，屬于簡單而又實用的冗余組網方式，性價比高、可靠性較高。適合于煤礦多業務自動化網絡平臺，可以進一步提高網絡的可靠性及安全性。

圖2 工業環型組網結構

3.1.3 雙環型組網拓撲結構

在雙環形組網拓撲結構下，每個網絡節點具有2套網絡設備，各個節點串聯成2套環網，冗余網絡，允許交換機、兩處光纖、網線（網卡）四種故障。是常用的高級工業冗余網絡系統，主要用于電信核心級網絡。在煤礦行業，同一井筒或巷道的雙環型光纜敷設時，和單環網的可靠性一樣，不適合煤礦的實際情況，且雙環網布線復雜，如網絡設備、網絡光（電）纜、網卡均為雙份，成本很非常高。

根據以上三種組網結構的對比，設計礦井綜合自動化內網中各骨干網絡均采用單環網絡的方式組網，保證整個自動化內網的可靠性及在突發情況下的生存能力。

如果環網中某個交換設備或連接鏈路發生意外中斷的情況，環網傳輸路徑將選擇反方向正常傳輸，傳輸路徑倒換時間小于50ms，如圖3所示：

圖3 工業以太網單環網平臺故障自愈

針對**煤礦的特點，可采取地面和井下雙環結構設計，同時考慮地面核心交換機冗余，本次按以下布點設計：

整個系統由2個環網組成，其中井下及地面兩個環，井下節點交換機與兩臺核心交換機組成環實現冗余，地面節點交換機與核心交換機連接成為井下環的子環。

地面信息機房配置2臺三層網管萬兆交換機，作為整個環網的核心交換機，兩臺核心交換機啟用VRRP協議實現冗余配置，為終端設備提供無縫隙的路由交換服務，兩臺交換機互為備份。在交換機正常時，兩臺交換機各自分擔一部分數據流量；當其中一臺交換機出現故障時，另一臺交換機就會自動分擔起所有數據流量，數據的傳輸不會受到任何的影響。這樣，既達到了負載均衡，又實現了相互備份的目的。

多環網通信的冗余切換時間：由于采用了工業以太網頂級廠商的超級冗余環技術，使得多環網通信的故障切換時間得以保證，無論是骨干環網內部、二級環網內部還是多環之間的通信，故障切換時間均<50ms。

3.2 設備分布設計

中心機房配置2臺核心骨干萬兆工業級交換機。

地面節點交換機配置2臺骨干萬兆工業級環網交換機，分別配置機箱、UPS電源，用于地面子系統等數據接入。可根據實際情況配置UPS電源，保障斷電后持續工作4h以上。

井下節點交換機配置3臺礦用隔爆兼本安型萬兆工業級網絡交換機，用于井下系統等設備接入。配置UPS電源，保障斷電后持續工作6h以上。

3.3 網絡可靠性設計

3.3.1 網絡設備可靠性要求

方案設計從網絡拓撲結構、網絡交換機、電源設計等方面，著重體現系統的可靠性。

3.3.2 鏈路可靠性要求

根據實際情況以及設備情況，規劃合理的鏈路可靠性，提出有效合理的方案。

3.4 網絡安全性設計

3.4.1 路由功能

萬兆骨干核心網應支持三層路由功能，采用VLAN技術以數據類別進行邏輯隔離，同時為每個類別數據賦予一個網關以防止單區域因設備故障、網絡病毒等因素產生的廣播風暴時影響到其他區域。

3.4.2 ACL功能

萬兆骨干核心網應支持訪問控制列表（Access Control List），按照數據安全等級將萬兆骨干網中的數據進行規則限制。

3.4.3 數據限制功能

萬兆骨干核心網應支持數據限制功能，按照各礦實際需求將未知組播、廣播等會影響網絡穩定性的數據報文進行有效限制。

3.5 網絡實時性設計

網絡的設計方案確保網絡的實時性：當其中某一段工作中的光纖線路被破壞或網絡設備發生故障時，整個網絡實現快速自愈，并保證在50ms內恢復正常的通訊。

3.6 網絡開放性設計

設計自動化網絡以標準的TCP/IP協議建設，網絡通信協議、網絡接口、軟件符合現有相應的國際標準和協議，全球通用；同時提供開放及擴展的網絡接口和數據接口，保證現有的各類產品以及未來出現的新產品能夠協同運行，方便數據交換、信息共享。

設計建設的網絡平臺符合國際公認的網絡標準IEC61158，具有完全開放的，具備成熟的第三方連接能力。

3.7 網絡可管理性設計

可以同時發現在網絡上的所有具有SNMP/ICMP代理結構的網絡設備（交換機或PC機等）；以定時掃描或事件觸發的方式監控網絡組成設備的狀態；可以圖形化地真實顯示系統中所安裝的網絡交換機的設備外形、設備端口連接狀態、網絡交換機上主要部件的運行狀態（風扇、機架、電源部件）、報警繼電器接點狀態以及各種LED指示燈的狀態；可以同時監視一個交換機上多個通訊端口的運行參數，重要通訊數據可以曲線化表示；可以記錄來自網絡設備的多種事件。這些事件包括：報警信息、運行狀態變化、組態參數變化；可以設置對設備事件的應對方式：短信通知、e-mail通知、在管理站上打開信息窗口；可以將相同的端口設置參數設置到大量的端口上；可以對交換機進行HIPER-Ring、端口鏈路聚合、DualHoming、VLAN、三層路由以及冗余路由的設置。

3.8 IP地址與路由設計

3.8.1 網絡IP地址規劃

IP地址的合理規劃是整個自動化系統平臺設計中的重要一環，IP地址的合理分配，要與網絡拓撲層次結構相適應，既要有效地利用地址空間，又要體現出網絡的可擴展性和靈活性，同時要滿足路由協議的要求，提高路由算法的效率，加快路由變化的收斂速度，同時還要考慮到網絡地址的可管理性。

按照對網絡總體規劃設計需求，依據簡單、易維護原則，結合礦井目前網絡環境及地理位置分布情況，要提出合理的IP分配方案，按照生產業務環節類型來劃分，實施時依據具體需求來決定選用可行性方式。

3.8.2 網絡VLAN規劃

VLAN作為一種網絡分段技術，可將廣播風暴限制在一個VLAN內部，避免影響其他網段。與傳統局域網相比，VLAN能夠更加有效地利用帶寬。在VLAN中，網絡被邏輯地分割成廣播域，由VLAN成員所發送的信息幀或數據包僅在VLAN內的成員之間傳送，而不是向網上的所有工作站發送。這樣可減少主干網的流量，提高網絡速度。

3.9 工業環網光纜敷設

3.9.1 光纜要求

本次方案設計中，各個安全生產監控環節現場設備PLC、PC與工業以太網交換機連接的線纜使用工業級快速連接插件及線纜（工業級標準）。使連接的所有類型的網絡和終端傳輸數據平穩，同時亦可實現系統維護方便，重新配置的靈活性。

光纜敷設全局考慮，統一部署，充分考慮礦井綜合自動化網絡系統各子系統接入設計，滿足系統后期擴展需求；光纜均采用單模，解決今后擴展問題，均符合標準，使用壽命≥25年；網絡平臺地面主干光纖選用12芯屏蔽、防水單膜光纖；井下環網主干光纖選用12芯阻燃鎧裝單膜光纖（MA認證）。

3.9.2 工業環網光纜敷設

由調度樓中心機房敷設光纜至井下工作區峒室形成統一環網光纜鏈路。光纜敷設需礦方配合施工。

4 結語

綜上所述，本次設計方案是以井下智能化采掘數據傳輸為基礎，以礦井綜合自動化、智慧型礦山萬兆工業以太環網建設為前瞻，適應未來發展。在后期的系統運維方面，具備本地化服務特點，對系統問題響應及時、縮短故障救援時間有明顯優勢。