千兆工業(yè)以太網(wǎng)在曉南礦的應(yīng)用

◎趙崢

一、前言

2011年，曉南礦對井上、下電力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，為保證該監(jiān)控系統(tǒng)安全、高效運轉(zhuǎn)，提升曉南礦自動化、智能化水平，首先建立了一套千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，作為電力監(jiān)控系統(tǒng)控制指令、搖信、遙測及反饋等信號傳輸?shù)墓歉删W(wǎng)絡(luò)，同時傳輸井上下各重要場所的視頻監(jiān)視信號，在地面調(diào)度室顯示及錄像。該網(wǎng)絡(luò)形成后，逐步將井下皮帶機(jī)集控、井下中央水泵集控、視頻監(jiān)視、地面壓風(fēng)機(jī)、消防泵集控、東風(fēng)井主扇監(jiān)控、井下應(yīng)急廣播系統(tǒng)接入該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成了曉南礦千兆工業(yè)以太網(wǎng)自動控制網(wǎng)絡(luò)。

二、千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)組成

網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī)由4臺摩莎公司PT-7828網(wǎng)管型3層交換機(jī)組成，地面調(diào)度室設(shè)2臺，其中1臺與一水平中央變電所、二水平中央變電所PT-7828交換機(jī)構(gòu)成井下千兆主干環(huán)網(wǎng)，各采區(qū)變電所安裝EDS-510A交換機(jī)，構(gòu)成二級千兆環(huán)網(wǎng)節(jié)點；另1臺與主井、副井、壓風(fēng)機(jī)、瓦斯機(jī)、中央風(fēng)井、東風(fēng)井安裝的摩莎EDS-510A千兆交換機(jī)構(gòu)成地面千兆環(huán)網(wǎng)，各核心交換機(jī)采用光纖環(huán)形冗余連接方式，構(gòu)成曉南礦井上下千兆工業(yè)以太主干環(huán)網(wǎng)，

環(huán)網(wǎng)功能特點：

1.兼容性好，技術(shù)支持廣泛，采用TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)的開放式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，不同廠家的交換設(shè)備可無限鏈?zhǔn)綌U(kuò)展，能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成。

2.能方便的與Internet連接，支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠在網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點，訪問經(jīng)過授權(quán)的監(jiān)控系統(tǒng)。

3.模塊化的設(shè)計，適合于井下復(fù)雜的生產(chǎn)條件變化。

4.通訊速率高，帶寬高，滿足高清視頻信號的傳輸。

5.根據(jù)控制系統(tǒng)的不同，劃分VLAN，各系統(tǒng)互不干擾。

三、監(jiān)控控制系統(tǒng)應(yīng)用

1.皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)。

井下皮帶機(jī)集控系統(tǒng)，上位機(jī)與下位機(jī)通過千兆光纖環(huán)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，傳輸控制指令，返回現(xiàn)場參數(shù)，實現(xiàn)井下皮帶機(jī)單條或多條皮帶機(jī)的集中控制，控制權(quán)可任意分配。能實現(xiàn)皮帶機(jī)的各項檢測保護(hù)功能；皮帶機(jī)各種保護(hù)的動作反饋信號能在上位機(jī)、下位機(jī)同時顯示并有聲音報警。目前，中央平巷皮帶機(jī)已實現(xiàn)了調(diào)度室遠(yuǎn)程全自動控制。

2.井下水泵集中控制系統(tǒng)。

井下控制系統(tǒng)PLC通過西門子以太網(wǎng)模塊連接至井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，地面調(diào)度監(jiān)控主站對井下水泵實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。自動運行方式下，可根據(jù)工況設(shè)定，以及時間、水位、用電峰谷平等參數(shù)自動開啟、停止水泵的運轉(zhuǎn)，并能實現(xiàn)泵閥的聯(lián)鎖啟動，對運行中的各種參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控。

3.地面壓風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

壓風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制站、PLC控制柜、現(xiàn)場傳感器、電動執(zhí)行設(shè)備（電動閥門）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)組成。遠(yuǎn)程控制站設(shè)在礦調(diào)度室，通過遠(yuǎn)程控制站操作實現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。自動運行模式下，通過調(diào)度室遠(yuǎn)程控制定義，選擇壓風(fēng)機(jī)的主輔順序關(guān)系，系統(tǒng)將自動按照供氣壓力設(shè)定值，順序選擇機(jī)組運行臺數(shù)，使供氣壓力達(dá)到始終滿足生產(chǎn)工況的需求，實現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)自動運行。

4.應(yīng)急救援通信系統(tǒng)。

井下通訊系統(tǒng)以有線網(wǎng)絡(luò)為骨干，在井下設(shè)立若干網(wǎng)絡(luò)終端，通過局域網(wǎng)覆蓋井下巷道，利用礦用本安電話等終端接入設(shè)備來實現(xiàn)群呼組呼等功能，從而實現(xiàn)井上對井下語音調(diào)度以及井下對井上的信息反饋。將有關(guān)發(fā)生了何種緊急情況及發(fā)生在何處、采取何種應(yīng)急措施等一系列指令覆蓋至井下所有相關(guān)人員。在日常作業(yè)中，借助該系統(tǒng)指令可進(jìn)行人員調(diào)度、指揮生產(chǎn)、通報生產(chǎn)情況等，從而更好地促進(jìn)安全生產(chǎn)、提高井下作業(yè)效率。

5.視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)由大屏幕顯示器、硬盤錄像機(jī)、視頻交換機(jī)、防爆攝像機(jī)及相關(guān)配套纜線等組成，接入千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。

采用網(wǎng)絡(luò)云臺攝像頭和固定式礦用本安型攝像頭，監(jiān)視井下各重要場所，讓調(diào)度員及管理人員及時作出判斷和處理，發(fā)布指揮命令，實現(xiàn)實時監(jiān)控和集中調(diào)度指揮的目的。

四、使用中發(fā)現(xiàn)的問題及發(fā)展方向

1.發(fā)現(xiàn)的問題。

（1）千兆帶寬不能滿足視頻裝置發(fā)展的需要。為提高井上、下各控制系統(tǒng)的自動化、智能化程度，必然升級各監(jiān)控系統(tǒng)的視頻裝置，增加視頻監(jiān)控點，增加帶寬占用。我礦已安裝的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字型攝像頭89個，均為高清攝像頭，每個攝像頭理論占用帶寬為4M，帶寬占用已達(dá)356M，由于視頻編碼的數(shù)據(jù)量變動性，其實際瞬時傳輸量以正負(fù)30%變動，由此可見，攝像頭所占帶寬比重非常大。而千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)理論計算占用帶寬不得超過65%，一旦帶寬占用數(shù)據(jù)達(dá)到傳輸頂峰，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸延遲，廣播風(fēng)暴，使得遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)指令不能傳輸，視頻圖像不能上傳，由此，曉南礦增加的攝像頭數(shù)量理論計算不得超過150個。

（2）使用百兆交換機(jī)產(chǎn)生傳輸瓶頸。曉南礦井下主干環(huán)網(wǎng)采用千兆交換機(jī)，每個千兆交換機(jī)配3個千兆光口、6個百兆電口，主要安裝在2個中央變電所，5個采區(qū)變電所，因千兆交換機(jī)提供的千兆光口少，必須采用百兆電口連接百兆交換機(jī)，而一個百兆交換機(jī)鏈?zhǔn)桨惭b攝像頭不能超過10個，否則就會出現(xiàn)視頻卡頓現(xiàn)象，阻礙攝像裝置的擴(kuò)展。

（3）部分控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、攝像頭沒有后備電源?？刂葡到y(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、攝像頭沒有后備電源，在停電的情況下，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)不能傳輸，現(xiàn)場視頻圖像消失，不能及時反映停電時設(shè)備故障原因，不利于排查、解決故障。

2.發(fā)展方向。

利用現(xiàn)有的光纖主干網(wǎng)絡(luò)，升級萬兆交換設(shè)備，組成一級萬兆環(huán)網(wǎng)；增加千兆交換機(jī)及安裝地點，組成二級千兆環(huán)網(wǎng)，用以增加網(wǎng)絡(luò)安全性。增加交換機(jī)、控制系統(tǒng)、攝像頭后備電源，滿足停電后網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，現(xiàn)場視頻圖像的顯示。增加井上下關(guān)鍵點攝像頭安裝數(shù)量，減少現(xiàn)場人員。

五、結(jié)論

各集控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)即各自獨立工作，又通過主干千兆網(wǎng)以太光纖環(huán)網(wǎng)連接，各分系統(tǒng)支線網(wǎng)采取星形結(jié)構(gòu)與之連接，分別對各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集，分級別分系統(tǒng)管理，每個分系統(tǒng)自成體系，u、互不干擾，可擴(kuò)展性強(qiáng)。形成了曉南礦礦井大型設(shè)備集控系統(tǒng)立體化自動控制網(wǎng)絡(luò)，提高了曉南礦自動化、智能化水平。

建設(shè)一個快速、高效、運行可靠的網(wǎng)絡(luò)，是煤礦發(fā)展智能化、自動化的基礎(chǔ)，在籌劃階段就應(yīng)該充分考慮各接子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需要，按照管控一體化的思路進(jìn)行建設(shè)，預(yù)留足夠的帶寬設(shè)備及節(jié)點，實現(xiàn)生產(chǎn)、管理的數(shù)據(jù)共享，提高煤礦現(xiàn)代化管理水平，調(diào)高安全運行效率。