摘要：随着现代控制技术、计算机网络技术和现代通信技术的不断发展，煤矿对控制系统的数字化、信息化、智能化和集成化的要求越来越高，传统的10/100Mbit/s的网络已难以满足矿井日益增长的生产数据传输需求，针对这一技术难题塔山矿机电部门通过技术研究决定井下监控系统采用赫斯曼千兆光纤工业环网，实践证明千兆工业环网不仅为矿井提供安全可靠的数字通讯通道，而且有力保证了煤矿安全高效生产。
关键词：煤矿井下 综合监控系统 千兆光纤工业环网
Analysis of the application of Gigabit Ethernet in mine comprehensive monitoring and control system
Wuhuiming
(Xishan Coal and electricity group , Shanxigujiao ,030206,china)
1、概述
屯兰矿矿安全监控系统、产量监测系统、矿压监测系统、皮带集中控制系统、无线通讯系统及人员定位系统等各个系统分属不同部门管理，缺乏信息共享，相互协调复杂，不利于安全问题的预防和问题产生后的及时解决，要想实现对各安全生产信息系统的集中统一管控，需要利用现代控制技术、现代计算机技术、现代网络技术、现代通信技术和现代图形显示技术，建立一套将煤矿生产的过程控制与企业管理有机结合的多级分布式综合自动化系统[ 1 ] 。
2、网络设计思路
（1）硬件结构；屯兰矿综合监控系统由控制中心管理层、网络通讯层、现场接入子系统层构成。网络通讯层按生产关系和地理位置采用单环网络与星型网络结合的方式，将各子系统的主机作为工业以太环网的一个节点，设置多台环网交换机与控制核心交换机组成光纤环网，其他子系统节点根据其接口方式，采用星型网络通过设置通讯分站或者直接接入骨干网交换机[ 2 ] ，从而把各现场子系统整合于基于TCP/IP的千兆工业以太网中，如图1所示。
图1 屯兰矿矿综合监控系统结构图
（2）逻辑结构；由于煤矿生产子系统、子系统设备数量繁多，子系统与子系统之间单独工作，不进行互联通讯，因此完全可以通过VLAN技术对网络划分为多个虚拟的局域网络，通过对屯兰矿千兆工业以太环网的VLAN进行合理的划分，有效的控制网络广播、有限的限制系统与系统之间的访问权限，从而有效提高网络的数据传输效率和网络的安全性。
3、网络设备选型及组网
（1）本设计采用德国赫斯曼公司的工业以太网交换机系列，其中使用MICE 4128构成的千兆光纤骨干环网是最佳的解决方案。工业网络系统核心交换机选择Hirschmann公司专为满足骨干网络高速高负载传输音频、视频和控制数据的需要而设计的Mach4002 48+4G-L3P型三层交换机。地面节点交换机选择Hirschmann公司的MS4128-L3E型交换机。井下节点交换机选择Hirschmann公司的MICE 4100型矿用隔爆兼本安交换机。环网光缆全部采用单模光纤光缆，其中井下采用24芯单模矿用阻燃光缆，地面采用24芯单模矿用光缆。本设计方案采用Hirschman公司的Hivision网络管理软件对整个网络的所有网络设备进行统一的管理。
（2）屯兰矿千兆工业以太环网采用环间耦合冗余网络结构，设置两台交换机与调度控制中心核心交换机连接以作数据上传，形成一个冗余工业千兆主干环形网，当地面或井下需要增加直线交换机与主环网交换机进行连接时采用千兆光口连接。两台工业核心交换机组成Hiper-Ring环网，现场环网基于双机Coupling冗余耦合技术接入两台工业核心交换机，组成全网一致的整体冗余网络（任一单断点自愈时间快于50ms）。
（3）屯兰矿调度机房设计安装2台1000M工业以太环网核心交换机作为工业以太网核心。2台千兆核心以太网交换机互为备份，通过Hiper-Ring环网构成工业网络的冗余数据汇聚中心，核心交换机部署在综合办公楼中心机房。井下设置7台1000M工业以太环网节点交换机构成井下主环网。地面设置5台1000M工业以太环网节点交换机，采用千兆光口与核心交换机或主环网交换机进行连接。
4、IP地址及VLAN规划
（1）IP地址规划；由于整个自动化系统网络的信息节点较多、业务较多，但是这个网络中的数据信息点较少，最合理的IP地址应分配C类IP地址段[ 3 ] ，每个业务分配一个C类地址段，最大有254个主机地址，足够满足屯兰矿综合自动化子系统未来不断扩大的网络需求。按照对网络总体规划设计需求，依据简单、易维护原则，本设计按照生产业务环节类型来对IP地址进行划分。
（2）VLAN规划；通过对综合自动化控制网络按端口实施VLAN配置将端口分组，也就是将连接到端口的工作站分组。同组的工作站能够进行通讯，不同组的工作站之间不能够相互通讯。按照目前煤矿现有自动化监控子系统数量，VLAN的命名规则依照下列图表1中方式进行规划。
表1 VLAN的命名规则表
5、网络系统可靠性、实时性、开放性设计
5.1可靠性设计
（1）网络拓扑结构选用环网冗余技术；选用国际知名品牌，赫斯曼工业网络交换机，可靠、稳定；为数据采集配置了2台主备数据采集服务器及2台数据库服务器服务器，冗余可靠；
（2）网络通信线路可靠性设计保证了整个网络系统的的传输可靠性。网络控制层光缆敷设时，使用多芯单模备份光纤，当其中两芯出现问题时，可以使用其他备份光纤传输。整个网络平台当其中某一段工作中的光纤线路被破坏或网络设备发生故障时整个网络实现快速自愈，并保证在500ms 内恢复正常的通讯。
（3）为了保证交换机供电的稳定性，每台交换机均配置在线式UPS电源，地面工业节点交换机机柜UPS电源后备电池时间可在UPS主机80%负载情况下实现2小时不间断供电。井下节点交换机后备电源依靠防爆箱内部蓄电池，保证后备供电时间在2小时以上。
5.2实时性设计
（1）采用交换式数据传输方式，没有数据碰撞，数据传输实时性有保证；
（2）网络设备端口延时低，典型值小于32微秒，能满足实时性应用的要求；
（3）设置优先级队列QoS，遵循IEEE 802.1D/p标准，保证了系统的实时性；
（4）支持工业网络必须的时钟同步SNTP（简单网络时钟协议）功能，全网时钟统一，实时性高。
5.3开放性设计
（1）设计网络以标准的TCP/IP协议建设，网络通信协议、网络接口、软件符合现有相应的国际标准和协议全球通用[ 4 ]；同时提供开放及扩展的网络接口和数据接口，保证现有的各类产品以及未来出现的新产品能够协同运行，方便数据交换、信息共享。
（2）设计建设的网络平台符合国际公认的网络标准IEC61158，具有完全开放的，具备成熟的第三方连接能力。
（3）可与企业的商业网络兼容，通过简单网络管理协议（SNMP）和远程监控协议（RMON），可与工业标准网络管理工具和其他品牌的交换机兼容。
6、结语
千兆工业以太环网为屯兰矿的数字化矿山建设提供了安全可靠的数字通讯通道并将全矿各主要生产环节及相关的辅助环节的生产过程数据链接到交换机上，进行实时数据采集、传输、处理、显示，从而对洗煤厂、压风机、水泵、输送皮带、人员定位设备进行集中监控，同时配合工业电视系统进行安全图像监视，确保工作人员及设备的安全，对于实现煤矿企业的科学化、现代化管理，保障煤矿安全高效生产，提高煤炭行业的科技发展水平，具有重要的意义。
参考文献
[1]吕优. 千兆工业以太环网在矿井通风监控系统中的应用〔J〕．技术与市场，2016，一期：89.
[2]王赵强. 浅述工业以太环网、工业视频监控系统在矿井综合自动化中的应用〔J〕.中国高新技术企业，2013，十八期：45.
[3]刘亚辉. 基于光纤工业以太环网的矿井安全监控系统设计及应用〔J〕.国际IT传媒品牌，2014，一期：123-124.
[4]汪海涛. 基于工业以太环网的矿井综合自动化系统在高家梁煤矿的应用〔J〕.智能建筑与城市信息.2011，九期：21—23.
作者简介
武慧敏（198303-），女，技术员，毕业于石家庄铁道学院工业设计，本科，现在西山煤电集团屯兰矿机电科从事机电技术工作。
论文作者:武慧敏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：交换机论文; 以太论文; 网络论文; 工业论文; 环网论文; 子系统论文; 井下论文; 《电力设备》2018年第24期论文;