萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)在煤礦智能化礦山中的研究與應用

陳昊聰

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引 言

網(wǎng)絡建設作為礦山智能化發(fā)展的基礎性工程，在煤礦智能化發(fā)展中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩浴⒎€(wěn)定性、安全性是制約礦山智能化發(fā)展的重要內(nèi)容，在以往的礦山工業(yè)網(wǎng)絡建設中往往以使用為目的，并未對網(wǎng)絡進行整體拓撲規(guī)劃，導致出現(xiàn)時延與信息孤島等現(xiàn)象，嚴重影響礦山網(wǎng)絡的安全性與可靠性，制約著礦山智能化的建設。本文以冀中能源股份有限公司邢東礦智能化礦山建設中的萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)建設為中心，詳細闡述礦山智能化建設中萬兆信息網(wǎng)絡的整體規(guī)劃與建設方案。

邢東礦位于邢臺市，隸屬冀中能源集團，采煤方法為全部充填開采，煤層賦存在-580～-1200 m，核定生產(chǎn)能力125 萬t/a。礦井智能化整體建設以萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)為核心，通過光纖有線網(wǎng)絡與5G蜂窩通信無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)對礦井下34 項智能化子系統(tǒng)的整合與應用，形成“一張網(wǎng)”架構規(guī)劃，實現(xiàn)了覆蓋全礦井的信息傳輸與共享，杜絕了信息孤島現(xiàn)象與數(shù)據(jù)時延，解決了礦井網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸與智能化建設的瓶頸。

1 萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)整體建設要求

在以往的邢東礦工業(yè)網(wǎng)絡中采取了千兆主干網(wǎng)絡、百兆交換機接口與星形混合拓撲結構，設置5臺節(jié)點交換機，采用MOXA 與赫斯曼交換機，隨礦井網(wǎng)絡的需求發(fā)展，在新設備的布置上采取直連式就近接入附近的節(jié)點交換機，導致生產(chǎn)與視頻系統(tǒng)混用，并且在接入中未進行上層設計，未對網(wǎng)絡進行VLAN 劃分，導致數(shù)據(jù)在傳輸中出現(xiàn)時延與堵塞。

萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)新網(wǎng)絡系統(tǒng)的建設，第一點便需要考慮對礦井生產(chǎn)組織上的影響，以往的信息網(wǎng)絡系統(tǒng)雖然并不能滿足網(wǎng)絡需求，但是可以作為新網(wǎng)絡系統(tǒng)建設的組網(wǎng)中的節(jié)點，首先需要解決以往網(wǎng)絡的IP 劃分，重新規(guī)劃IP 網(wǎng)段與VLAN，從另外角度來說僅保留了硬件設備，而拓撲結構已經(jīng)被重新規(guī)劃和調整。萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的工業(yè)核心配備2 臺華為S7706 核心交換機，井下工業(yè)節(jié)點分別在各變電所共配備6 臺礦用隔離防爆萬兆交換機，同時全部配備UPS 電源保護，并在以太環(huán)網(wǎng)中配備物理網(wǎng)閘進行數(shù)據(jù)隔離，以滿足通信數(shù)據(jù)的內(nèi)部安全，杜絕了絕大多數(shù)的遠程網(wǎng)絡攻擊和數(shù)據(jù)抓包。各交換機之間采用雙端口連接，獨立成環(huán)，整體構成完整的雙環(huán)光纖鏈路，具有一定的應對外力損壞的能力，在光纖鏈路受到破壞時，主備自動交換重新進行數(shù)據(jù)抓包并報警，實現(xiàn)50 ms 內(nèi)環(huán)路的正常數(shù)據(jù)通信，減少了網(wǎng)絡傳輸?shù)膩G包率。

1.1 核心網(wǎng)絡

邢東礦萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的工業(yè)核心采用華為S7706 型POE 三層交換機，傳輸速率1 000 Mbps，可以支持存儲-轉發(fā)交換方式，包轉發(fā)率最高可達26 400 Mbps，具有6 個擴展業(yè)務槽位，可以實現(xiàn)24 個萬兆光口，8 個千兆光口，12 個千兆/百兆自適應電口，自帶485 接口的端口配置，不僅滿足當下邢東礦智能化礦山建設的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡需求，還為系統(tǒng)整體升級預留了擴展業(yè)務槽位。該工業(yè)核心具有完善的二、三層組播協(xié)議，支持PIM SM、PIMDM等多網(wǎng)絡協(xié)議，滿足多終端高清視頻監(jiān)控以及視頻接入需求。并且滿足IPv4/IPv6 雙協(xié)議棧，支持多種隧道技術，支持IPv6 靜態(tài)路由、RIPng、OSPFv3、BGP+、IS-ISv6、IPv6 組 播，滿足IPv6 獨立組網(wǎng)和IPv4/IPv6 混合組網(wǎng)要求（圖1）。

圖1 邢東礦萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)拓撲圖Fig.1 10 Gigabit industrial Ethernet ring network topology in Xingdong Mine

1.2 環(huán)網(wǎng)設備及功能

萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)設備工業(yè)核心配置有2 臺華為S7006 核心交換機，用于連接調度中心服務器、工作站及接入層網(wǎng)絡設備等，單臺配置24 口萬兆光口。井下配置6 臺礦用隔爆型萬兆以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)交換機，連接附近監(jiān)控及自動化子系統(tǒng)設備，同時增加UPS 電源保護，在市電停電后，可保障持續(xù)運行4 h 以上。工業(yè)核心萬兆交換機與井下礦用防爆節(jié)點萬兆交換機之間采取端口雙鏈路環(huán)路物理配置，通過工業(yè)核心萬兆交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)層萬兆傳輸通信。萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)采取節(jié)點雙環(huán)路配置組成，所有的萬兆節(jié)點交換機全部采取萬兆光纖雙端口雙工通信構建成完整的光線數(shù)據(jù)鏈路，各萬兆交換機之間具有完備的路由表與樹協(xié)議。當其中某一段光纖鏈路在工作中被破壞或發(fā)生網(wǎng)絡設備故障后，整個網(wǎng)絡采區(qū)主備交換的方式自愈，并確保在50 ms 內(nèi)恢復正常的數(shù)據(jù)交換與路由協(xié)議，大大降低了鏈路數(shù)據(jù)的丟包。

該萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)可以提供足夠的網(wǎng)絡帶寬及多種硬件接口滿足多系統(tǒng)的接入，三層交換結構支持快速生成樹協(xié)議用于網(wǎng)絡主備冗余和環(huán)冗余的快速數(shù)據(jù)鏈路傳輸。并且具有線路斷線、端口低電平的網(wǎng)絡自診斷功能，在發(fā)現(xiàn)報警時，主動發(fā)送報警信息到遠程鏡像端口，以便于對數(shù)據(jù)和端口狀態(tài)進行實時監(jiān)控與及時處理。在數(shù)據(jù)安全方面可提供完善的NAC 解決方案，支持MAC 地址認證、portal1 認證、802.1x 認證、DHCP Snooping 觸發(fā)認證多種認證方式，以有效應對移動設備接入、啞終端接入與集中式IP 地址分配的多種接入方式。可實現(xiàn)設備的快速布置，并且具有2 級CPU 保護機制，支持硬件保護隊列，可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和算法控制的分離處理，防止拒絕服務攻擊、非法接入以及控制平面過載等安全威脅。

1.3 井下5G 無線寬帶網(wǎng)絡

5G 無線寬帶網(wǎng)絡是礦井智能化網(wǎng)絡系統(tǒng)的關鍵，面對井下復雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和有限的空間，可以減少在數(shù)據(jù)采集端有線網(wǎng)絡鏈路的接入，以及應對移動控制與無法有線鏈路連接的設備，比如在移動礦車的數(shù)據(jù)采集中，有線網(wǎng)絡存在距離等非可行性約束，在水位與煤壁壓力等方面存在線路布置與區(qū)域更換等存在無法快速接入光纖鏈路等因素，以上采用無線寬帶網(wǎng)絡的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)傳輸無疑是最好的應用策略。

該5G 無線寬帶網(wǎng)絡不僅支持井下防爆礦用手持移動端設備的接入，還支持ZigBee 紫蜂低速短距離傳輸?shù)臒o線上網(wǎng)協(xié)議，可以支持大量上網(wǎng)節(jié)點具有低功耗、低成本、低復雜度優(yōu)勢，適合對礦用井下變電所設備等靜態(tài)設備的動態(tài)感知傳感器的數(shù)據(jù)收發(fā)。該系統(tǒng)還支持NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng)和RFID 設備對井下礦車運輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)識別與傳輸。無線寬帶網(wǎng)絡系統(tǒng)在萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)的建設中作為系統(tǒng)接入設備層最關鍵的一個環(huán)節(jié)在礦井的智能化物聯(lián)感知與底層數(shù)據(jù)采集方面有著無可替代的作用，成為智能化礦山建設不可或缺的一環(huán)（圖2）。

圖2 邢東礦井下5G無線寬帶網(wǎng)絡示意Fig.2 5G wireless broadband network in Xingdong Mine

2 萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)在煤礦智能化建設中的應用

網(wǎng)絡建成后，2 個工業(yè)核心之間通過一組鏈路聚合的端口互連，井上、井下2 個工業(yè)環(huán)網(wǎng)分別通過雙耦合技術連接至2 臺核心，各個環(huán)網(wǎng)節(jié)點就近連接環(huán)網(wǎng)附近工業(yè)設備，達到信息傳輸，工業(yè)控制等目的。將現(xiàn)有的信息系統(tǒng)如工業(yè)視頻系統(tǒng)、主副井動力提升自動化集中分控系統(tǒng)、供電、排水、主通風機、壓風機、礦井水自動配比、井下皮帶運輸、矸石充填工作面自動化等系統(tǒng)接入，各系統(tǒng)都通過環(huán)網(wǎng)進行通訊，保證了數(shù)據(jù)快速可靠的傳輸。隨著礦山智能化建設各系統(tǒng)的投入和使用，智能傳感器、礦山融合通信、AI 數(shù)據(jù)分析與處理、云服務等多系統(tǒng)協(xié)同控制的實現(xiàn)，都離不開網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)的穩(wěn)定與高效，高穩(wěn)定性上層拓撲網(wǎng)絡分層設計的萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術作為信息化智能化的基礎，可以實現(xiàn)礦山復雜環(huán)境下生產(chǎn)網(wǎng)絡內(nèi)人員信息、環(huán)境變量、設備動態(tài)和基礎設施信息的高效采集。

3 結 語

邢東礦智能化礦山建設依托萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的建成，有力的保障了未來5～10 a 各工業(yè)控制系統(tǒng)的接入、井下巷道不斷延伸以及視頻攝像儀和其他控制子系統(tǒng)的不斷新增擴展，不會再受到網(wǎng)絡帶寬和接入端口數(shù)量限制，充分滿足了當前以及后期的使用需求，極大地保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，推動了智能化技術與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，提升了煤礦智能化水平，促進煤炭工業(yè)高質量發(fā)展。