淺談葛鋪礦綜合自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)和使用情況

馬智峰

摘??要：根據(jù)我國(guó)當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展成果、葛鋪礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)的建設(shè)需求、礦井井下巷道的分布結(jié)構(gòu)和礦井未來(lái)發(fā)展的需要，從MACH-4002核心交換機(jī)的選取到系統(tǒng)VLAN劃分方式等方面，綜述了葛鋪礦綜合自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)方案，并闡述了環(huán)網(wǎng)平臺(tái)的使用情況。

關(guān)鍵詞：工業(yè)環(huán)網(wǎng);核心交換機(jī);VLAN;以太網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD67????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.109

近年來(lái)，隨著能源行業(yè)的飛速發(fā)展，我國(guó)煤炭企業(yè)需要不斷提升管理水平、節(jié)約管理成本，以適應(yīng)日趨嚴(yán)峻的市場(chǎng)環(huán)境。在此背景下，我國(guó)提出了“兩化”融合的戰(zhàn)略目標(biāo)。所謂“兩化”融合，是指信息化與工業(yè)化的深度結(jié)合，旨在以信息化帶動(dòng)工業(yè)化、以工業(yè)化促進(jìn)信息化，從而走上新型工業(yè)化的發(fā)展道路。具體而言，煤炭企業(yè)的“兩化”融合目標(biāo)為煤礦的綜合自動(dòng)化建設(shè)，而煤礦綜合自動(dòng)化建設(shè)的重中之重為工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)。目前，多數(shù)煤礦企業(yè)均以工業(yè)以太網(wǎng)形式實(shí)現(xiàn)各類(lèi)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的集中管控，進(jìn)而形成了完整的管控一體化綜合應(yīng)用平臺(tái)。

簡(jiǎn)而言之，工業(yè)以太網(wǎng)是將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)管理和控制領(lǐng)域的局域網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)層面上可與普通商用以太網(wǎng)（IEEE?802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在實(shí)際應(yīng)用中，在材質(zhì)的選用、系統(tǒng)的抗干擾性、本質(zhì)安全性、操作的實(shí)時(shí)性和交互操作性等方面都需要加強(qiáng)，以滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需要。

工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)選用了以太網(wǎng)絡(luò)多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的環(huán)形架構(gòu)，它可支持各種模式的通信，比如單播、多播和廣播，且能防止數(shù)據(jù)失序或重復(fù)。同時(shí)，在數(shù)據(jù)交換中具有自動(dòng)檢測(cè)環(huán)路的功能，當(dāng)環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備出現(xiàn)故障或一個(gè)方向的光纜斷傳時(shí)，能迅速切換至備用鏈路，以保證數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)、可靠傳輸。

1??礦井的規(guī)劃需求

葛鋪礦井田位于寧武煤田嵐縣勘探區(qū)的中南部，井田面積為9.26?km2，儲(chǔ)煤量為1.4×108?t，可采儲(chǔ)量為9.53×107?t。礦井設(shè)計(jì)中的生產(chǎn)能力為1.5×106?t/年，服務(wù)年限為45.4年，屬資源整合礦井。在規(guī)劃中，強(qiáng)化了礦井日常的管理和控制，充分把握了未來(lái)煤礦信息化的發(fā)展方向，以太網(wǎng)建設(shè)分別采用了自動(dòng)化、信息

化等技術(shù)手段，并整合了各類(lèi)自動(dòng)化系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)，最終建成了可共享信息的綜合自動(dòng)化平臺(tái)和綜合信息化平臺(tái)。

1.1??網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)一般采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，可以采用單環(huán)、雙環(huán)、雙星形或多總線(xiàn)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余。

幾種工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)之間的比較如表1所示。

表1??幾種工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)之間的比較

星形

環(huán)形

雙星形

雙環(huán)形

網(wǎng)絡(luò)

拓?fù)?/p>

描述

一個(gè)網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)下聯(lián)各個(gè)分節(jié)點(diǎn)

各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)

雙核心、雙接入節(jié)點(diǎn)，接入節(jié)點(diǎn)分別連接到核心節(jié)點(diǎn)，形成2套網(wǎng)絡(luò)

每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有2?套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，各個(gè)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)成2套環(huán)網(wǎng)

優(yōu)點(diǎn)

布線(xiàn)簡(jiǎn)單、管理方便，可直接通過(guò)背板交換，交換速度快

采用分布式網(wǎng)絡(luò)，允許光纖出現(xiàn)一處斷點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生連路故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可在500?ms內(nèi)自動(dòng)切換至總線(xiàn)

采用冗余網(wǎng)絡(luò)，允許交換機(jī)故障、光纖故障、網(wǎng)線(xiàn)（網(wǎng)卡）故障存在，直接通過(guò)背板交換，交換速度快

采用冗余網(wǎng)絡(luò)，允許交換機(jī)故障、兩處光纖故障、網(wǎng)線(xiàn)（網(wǎng)卡）故障存在，是常用的高級(jí)工業(yè)冗余網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

缺點(diǎn)

沒(méi)有冗余，且中央交換機(jī)的分線(xiàn)過(guò)于集中

屬于簡(jiǎn)單冗余，當(dāng)某一交換機(jī)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致單點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)故障

布線(xiàn)復(fù)雜，所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均為雙份，成本高。冗余通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，因此切換時(shí)間與程序編制有較大關(guān)系

布線(xiàn)呈雙環(huán)形，布線(xiàn)簡(jiǎn)單，其他成本，比如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)光（電）纜、網(wǎng)卡均為雙份，與雙星形相同

成本

低

最低

最高

高

冗余

時(shí)間

基本<500?ms

取決于軟件

鏈路故障恢復(fù)<500?ms，其他故障取決于軟件

根據(jù)以上4種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的對(duì)比，綜合評(píng)估實(shí)用性、性?xún)r(jià)比等方面后，結(jié)合礦井實(shí)際的應(yīng)用需求，決定對(duì)井上系統(tǒng)、井下系統(tǒng)均采用單環(huán)網(wǎng)絡(luò)的方式組網(wǎng)。

1.2??礦井環(huán)網(wǎng)的總體設(shè)計(jì)

葛鋪煤礦礦井千兆控制網(wǎng)絡(luò)按區(qū)域、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、規(guī)模劃分為2個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)，即1個(gè)井上環(huán)網(wǎng)和1個(gè)井下環(huán)網(wǎng)。按照區(qū)域、生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量等情況設(shè)立網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備：井上千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)分別于主立井提升機(jī)房、副立井提升機(jī)房、篩分車(chē)間、鍋爐房、礦井水處理站和通風(fēng)機(jī)房處設(shè)立節(jié)點(diǎn);井下千兆環(huán)網(wǎng)于中央變電所、采區(qū)上山膠帶機(jī)頭和590水平膠帶機(jī)頭處設(shè)立節(jié)點(diǎn)，子網(wǎng)之間相互獨(dú)立，該網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)段中，且與礦管理局域網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)。

為了達(dá)到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全級(jí)別的要求，且在兼顧操作和管理上具有便利性，礦井采用了井上、井下系統(tǒng)各通過(guò)1個(gè)單獨(dú)的環(huán)網(wǎng)核心交換機(jī)交換信息的方式。使用網(wǎng)段VLAN的劃分可確保每個(gè)環(huán)網(wǎng)的單點(diǎn)故障不會(huì)影響另外一個(gè)環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，保證工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)出現(xiàn)廣播風(fēng)暴，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或阻塞。同時(shí)，通過(guò)合理地分配IP地址，使之與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵哟谓Y(jié)構(gòu)相適應(yīng)，從而提高路由算法的效率、加快路由變化的收斂速度和增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)地址的可管理性。

2??環(huán)網(wǎng)的建設(shè)方案

2.1??環(huán)網(wǎng)硬件的選擇

由于煤炭行業(yè)生產(chǎn)環(huán)境具有的特殊性，普通材料在抗干擾性、電磁兼容性、可靠性和可用性等方面無(wú)法完全適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的要求，因此環(huán)網(wǎng)硬件的選擇應(yīng)認(rèn)真、謹(jǐn)慎。

環(huán)型以太網(wǎng)為千兆工業(yè)以太網(wǎng)，可為全礦各個(gè)子系統(tǒng)提供方便、靈活的工業(yè)以太網(wǎng)接口?？紤]到煤礦企業(yè)今后的自動(dòng)化改造和設(shè)備更新，井上環(huán)網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)選用了能夠方便更換和擴(kuò)展接口的MS4128交換機(jī)，交換機(jī)采用12芯（GYXTW53-12）單模光纜連接形成的環(huán)路;井下環(huán)網(wǎng)選用了KJJ104隔爆千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，交換機(jī)采用礦用12芯（MGTSV-I）阻燃光纜連接形成的環(huán)路。2個(gè)子網(wǎng)通過(guò)2臺(tái)MACH-4002核心交換機(jī)連接，并使用2條通信鏈路分別連接至聯(lián)建樓調(diào)度中心，以達(dá)到上聯(lián)鏈路冗余的目的。在此情況下，整體自動(dòng)化工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)形成了由2臺(tái)核心交換機(jī)、井下環(huán)網(wǎng)、井上環(huán)網(wǎng)組成的雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)，且每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都由2條鏈路連接至核心設(shè)備，以防出現(xiàn)單點(diǎn)故障。

2.2??環(huán)網(wǎng)VALN和IP設(shè)置規(guī)劃

VLAN（虛擬局域網(wǎng)）技術(shù)可以隔離各控制系統(tǒng)之間的廣播泛濫，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能，保證各子控制系統(tǒng)之間的獨(dú)立，方便多系統(tǒng)實(shí)時(shí)擴(kuò)展。按現(xiàn)有子控制系統(tǒng)的數(shù)量，可初步劃分為VLAN10和VALN11網(wǎng)段屬于煤礦各控制系統(tǒng)、VLAN21屬于工業(yè)電視系統(tǒng)、VLAN31屬于束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、VLAN41屬于移動(dòng)通訊系統(tǒng)。

雖然葛鋪煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的信息節(jié)點(diǎn)較多、業(yè)務(wù)較多，但是，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)信息點(diǎn)較少。因此，以操作簡(jiǎn)單、易維護(hù)為目的，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，應(yīng)在每個(gè)生產(chǎn)監(jiān)控環(huán)節(jié)通訊數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分配一個(gè)C類(lèi)地址段，最大可具有254個(gè)主機(jī)地址，從而滿(mǎn)足葛鋪煤礦綜合自動(dòng)化子系統(tǒng)不斷擴(kuò)大的網(wǎng)絡(luò)需求。

2.3??環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理

環(huán)網(wǎng)選用赫思曼公司提供的HiVision網(wǎng)絡(luò)管理軟件統(tǒng)一管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。在HiVision軟件中，可查詢(xún)各種故障報(bào)警的歷史記錄，能實(shí)時(shí)查看每個(gè)交換機(jī)的端口狀態(tài)、通訊流量和設(shè)置信息等，并允許使用萬(wàn)維網(wǎng)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)并配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（通過(guò)HTTP提供）。HiVision可與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有機(jī)集成，且無(wú)須完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。此外，所有的管理信息都通過(guò)HTTP協(xié)議傳送，具有方便、快捷的特點(diǎn)，且具有操作性和實(shí)時(shí)性，有利于管理員實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)。

3??環(huán)網(wǎng)安全設(shè)置

保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行對(duì)于聯(lián)網(wǎng)企業(yè)而言十分關(guān)鍵，安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可保證礦方高效、準(zhǔn)確地完成日常的生產(chǎn)管理工作。

要想構(gòu)建安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，就要有效防范非法入侵者采用的攻擊手段和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在的漏洞。因此，應(yīng)有機(jī)結(jié)合實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，建立1套安全的防范系統(tǒng)，填補(bǔ)系統(tǒng)中各個(gè)級(jí)別的漏洞，切斷非法用戶(hù)的入侵渠道。礦方可采用以下4種方法保證網(wǎng)絡(luò)安全：①在敷設(shè)網(wǎng)絡(luò)控制層的光纜時(shí)，應(yīng)使用多芯備份光纖，同時(shí)，應(yīng)不定期檢查通信線(xiàn)路的安全性，以保證各信息點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)的暢通。②在各端口上設(shè)定數(shù)據(jù)流過(guò)濾，防止企業(yè)內(nèi)部的IP地址欺騙。③在設(shè)備上設(shè)定各類(lèi)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限，配置訪(fǎng)問(wèn)控制表，設(shè)備內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)為只有維護(hù)人員可登錄。同時(shí)，限制所有來(lái)自Internet的用戶(hù)對(duì)設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)（包括PING、Telnet、Discard、Echo和SNMP等），且只有維護(hù)人員可使用SNMP訪(fǎng)問(wèn)。④結(jié)合實(shí)際選用1臺(tái)SIS-3000-GE-TD隔離網(wǎng)閘，用來(lái)連接綜合自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)與企業(yè)信息化管理網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)控制層網(wǎng)絡(luò)與信息層網(wǎng)絡(luò)的有效隔離;在企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)與集團(tuán)公司連接節(jié)點(diǎn)上設(shè)置Power?V-3A26-TD防火墻，以保證網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

4??環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行情況

目前，已投入使用的葛鋪礦綜合自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)平臺(tái)運(yùn)行有序、穩(wěn)定。人員定位系統(tǒng)、束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等監(jiān)測(cè)控制子系統(tǒng)均有機(jī)集成到環(huán)網(wǎng)平臺(tái)中;井下多路工業(yè)視頻信號(hào)通過(guò)環(huán)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸至調(diào)度中心，全礦可實(shí)時(shí)掌握礦井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài);井下各系統(tǒng)分站與地面中心服務(wù)器通過(guò)環(huán)網(wǎng)及時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù);各個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠高效、有序地完成礦井日常監(jiān)測(cè)和控制工作。綜合自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)和使用是葛鋪礦建設(shè)數(shù)字礦山宏偉目標(biāo)道路上的一個(gè)重要里程碑，為今后礦山數(shù)字化建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕

Discussion?on?the?Gepu?Coal?Mine?Synthetical?Automation?Ring

Network?Platform?Construction?and?Usage

Ma?Zhifeng

Abstract：?The?need?for?the?future?development?of?distribution?structure?and?mine?development?achievements，?according?to?Chinas?current?industrial?automation?Gepu?ore?industrial?ring?network，?the?demand?of?the?construction?of?mine?roadway，?from?MACH-4002?core?switch?selects?to?system?VLAN?decomposition?methods，?summarized?the?construction?scheme?of?Gepu?coal?mine?synthetical?automation?ring?network?platform，?and?describes?the?use?of?ring?network?platform.

Key?words：?industrial?ring?network;?core?switch;?VLAN;?ethernet