浅谈葛铺矿综合自动化环网平台建设和使用情况

马智峰

摘  要：根据我国当前工业自动化的发展成果、葛铺矿工业环网的建设需求、矿井井下巷道的分布结构和矿井未来发展的需要，从MACH-4002核心交换机的选取到系统VLAN划分方式等方面，综述了葛铺矿综合自动化环网平台的建设方案，并阐述了环网平台的使用情况。

关键词：工业环网;核心交换机;VLAN;以太网

中图分类号：TD67                文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.109

近年来，随着能源行业的飞速发展，我国煤炭企业需要不断提升管理水平、节约管理成本，以适应日趋严峻的市场环境。在此背景下，我国提出了“两化”融合的战略目标。所谓“两化”融合，是指信息化与工业化的深度结合，旨在以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，从而走上新型工业化的发展道路。具体而言，煤炭企业的“两化”融合目标为煤矿的综合自动化建设，而煤矿综合自动化建设的重中之重为工业以太网平台的建设。目前，多数煤矿企业均以工业以太网形式实现各类自动化控制系统的集中管控，进而形成了完整的管控一体化综合应用平台。

简而言之，工业以太网是将以太网技术应用于工业管理和控制领域的局域网技术，在技术层面上可与普通商用以太网（IEEE 802.3标准）兼容，但在实际应用中，在材质的选用、系统的抗干扰性、本质安全性、操作的实时性和交互操作性等方面都需要加强，以满足工业现场生产的需要。

工业以太环网选用了以太网络多种拓扑结构中的环形架构，它可支持各种模式的通信，比如单播、多播和广播，且能防止数据失序或重复。同时，在数据交换中具有自动检测环路的功能，当环网网络上设备出现故障或一个方向的光缆断传时，能迅速切换至备用链路，以保证数据信息的实时、可靠传输。

1  矿井的规划需求

葛铺矿井田位于宁武煤田岚县勘探区的中南部，井田面积为9.26 km2，储煤量为1.4×108 t，可采储量为9.53×107 t。矿井设计中的生产能力为1.5×106 t/年，服务年限为45.4年，属资源整合矿井。在规划中，强化了矿井日常的管理和控制，充分把握了未来煤矿信息化的发展方向，以太网建设分别采用了自动化、信息

化等技术手段，并整合了各类自动化系统和信息化系统，最终建成了可共享信息的综合自动化平台和综合信息化平台。

1.1  网络拓扑结构

工业以太网络一般采用总线结构或环形结构。为了进一步提高网络的可靠性，可以采用单环、双环、双星形或多总线等网络结构实现网络冗余。

几种工业以太网结构之间的比较如表1所示。

表1  几种工业以太网结构之间的比较

星形

环形

双星形

双环形

网络

拓扑

描述

一个网络核心节点下联各个分节点

各个网络节点串联成闭环结构

双核心、双接入节点，接入节点分别连接到核心节点，形成2套网络

每个网络节点具有2 套网络设备，各个节点串联成2套环网

优点

布线简单、管理方便，可直接通过背板交换，交换速度快

采用分布式网络，允许光纤出现一处断点。当发生连路故障时，网络可在500 ms内自动切换至总线

采用冗余网络，允许交换机故障、光纤故障、网线（网卡）故障存在，直接通过背板交换，交换速度快

采用冗余网络，允许交换机故障、两处光纤故障、网线（网卡）故障存在，是常用的高级工业冗余网络系统

缺点

没有冗余，且中央交换机的分线过于集中

属于简单冗余，当某一交换机发生故障时，会导致单点网络故障

布线复杂，所有网络设备均为双份，成本高。冗余通过软件编程实现，因此切换时间与程序编制有较大关系

布线呈双环形，布线简单，其他成本，比如网络设备、网络光（电）缆、网卡均为双份，与双星形相同

成本

低

最低

最高

高

冗余

时间

基本<500 ms

取决于软件

链路故障恢复<500 ms，其他故障取决于软件

根据以上4种网络结构之间的对比，综合评估实用性、性价比等方面后，结合矿井实际的应用需求，决定对井上系统、井下系统均采用单环网络的方式组网。

1.2  矿井环网的总体设计

葛铺煤矿矿井千兆控制网络按区域、节点数量、规模划分为2个工业以太网，即1个井上环网和1个井下环网。按照区域、生产自动化系统节点数量等情况设立网络接入设备：井上千兆工业环网分别于主立井提升机房、副立井提升机房、筛分车间、锅炉房、矿井水处理站和通风机房处设立节点;井下千兆环网于中央变电所、采区上山胶带机头和590水平胶带机头处设立节点，子网之间相互独立，该网络运行在一个相对独立的网段中，且与矿管理局域网络相联。

为了达到工业网络安全级别的要求，且在兼顾操作和管理上具有便利性，矿井采用了井上、井下系统各通过1个单独的环网核心交换机交换信息的方式。使用网段VLAN的划分可确保每个环网的单点故障不会影响另外一个环网的数据传输，保证工业以太网内部的数据传输不会出现广播风暴，导致数据丢失或阻塞。同时，通过合理地分配IP地址，使之与网络拓扑层次结构相适应，从而提高路由算法的效率、加快路由变化的收敛速度和增强网络地址的可管理性。

2  环网的建设方案

2.1  环网硬件的选择

由于煤炭行业生产环境具有的特殊性，普通材料在抗干扰性、电磁兼容性、可靠性和可用性等方面无法完全适应工业环境的要求，因此环网硬件的选择应认真、谨慎。

环型以太网为千兆工业以太网，可为全矿各个子系统提供方便、灵活的工业以太网接口。考虑到煤矿企业今后的自动化改造和设备更新，井上环网各节点选用了能够方便更换和扩展接口的MS4128交换机，交换机采用12芯（GYXTW53-12）单模光缆连接形成的环路;井下环网选用了KJJ104隔爆千兆网络交换机，交换机采用矿用12芯（MGTSV-I）阻燃光缆连接形成的环路。2个子网通过2台MACH-4002核心交换机连接，并使用2条通信链路分别连接至联建楼调度中心，以达到上联链路冗余的目的。在此情况下，整体自动化工业以太环网形成了由2台核心交换机、井下环网、井上环网组成的双环网络，且每个网络都由2条链路连接至核心设备，以防出现单点故障。

2.2  环网VALN和IP设置规划

VLAN（虚拟局域网）技术可以隔离各控制系统之间的广播泛滥，从而提高网络性能，保证各子控制系统之间的独立，方便多系统实时扩展。按现有子控制系统的数量，可初步划分为VLAN10和VALN11网段属于煤矿各控制系统、VLAN21属于工业电视系统、VLAN31属于束管监测系统、VLAN41属于移动通讯系统。

虽然葛铺煤矿自动化系统网络的信息节点较多、业务较多，但是，整个网络中的数据信息点较少。因此，以操作简单、易维护为目的，在项目设计中，应在每个生产监控环节通讯数据业务分配一个C类地址段，最大可具有254个主机地址，从而满足葛铺煤矿综合自动化子系统不断扩大的网络需求。

2.3  环网网络管理

环网选用赫思曼公司提供的HiVision网络管理软件统一管理整个网络的设备。在HiVision软件中，可查询各种故障报警的历史记录，能实时查看每个交换机的端口状态、通讯流量和设置信息等，并允许使用万维网浏览器访问并配置网络设备（通过HTTP提供）。HiVision可与网络设备有机集成，且无须完成协议转换。此外，所有的管理信息都通过HTTP协议传送，具有方便、快捷的特点，且具有操作性和实时性，有利于管理员实时监管系统。

3  环网安全设置

保证网络的正常运行对于联网企业而言十分关键，安全的网络环境可保证矿方高效、准确地完成日常的生产管理工作。

要想构建安全的网络环境，就要有效防范非法入侵者采用的攻击手段和网络环境中存在的漏洞。因此，应有机结合实际的网络环境，建立1套安全的防范系统，填补系统中各个级别的漏洞，切断非法用户的入侵渠道。矿方可采用以下4种方法保证网络安全：①在敷设网络控制层的光缆时，应使用多芯备份光纤，同时，应不定期检查通信线路的安全性，以保证各信息点访问的畅通。②在各端口上设定数据流过滤，防止企业内部的IP地址欺骗。③在设备上设定各类访问权限，配置访问控制表，设备内部网络为只有维护人员可登录。同时，限制所有来自Internet的用户对设备的访问（包括PING、Telnet、Discard、Echo和SNMP等），且只有维护人员可使用SNMP访问。④结合实际选用1台SIS-3000-GE-TD隔离网闸，用来连接综合自动化环网与企业信息化管理网络，从而实现控制层网络与信息层网络的有效隔离;在企业管理网络与集团公司连接节点上设置Power V-3A26-TD防火墙，以保证网络安全运转。

4  环网的运行情况

目前，已投入使用的葛铺矿综合自动化环网平台运行有序、稳定。人员定位系统、束管监测系统等监测控制子系统均有机集成到环网平台中;井下多路工业视频信号通过环网实时传输至调度中心，全矿可实时掌握矿井的生产动态;井下各系统分站与地面中心服务器通过环网及时、准确地传输数据;各个子系统运行稳定，能够高效、有序地完成矿井日常监测和控制工作。综合自动化环网平台的建设和使用是葛铺矿建设数字矿山宏伟目标道路上的一个重要里程碑，为今后矿山数字化建设打下了坚实的基础。

参考文献

[1]何国家，张瑞玺.第六届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集[M].北京：煤炭工业出版社，2011.

〔编辑：张思楠〕

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