淺談葛鋪礦綜合自動化環(huán)網(wǎng)平臺建設和使用情況

1、    淺談葛鋪礦綜合自動化環(huán)網(wǎng)平臺建設和使用情況    馬智峰摘  要：根據(jù)我國當前工業(yè)自動化的發(fā)展成果、葛鋪礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)的建設需求、礦井井下巷道的分布結(jié)構(gòu)和礦井未來發(fā)展的需要，從mach-4002核心交換機的選取到系統(tǒng)vlan劃分方式等方面，綜述了葛鋪礦綜合自動化環(huán)網(wǎng)平臺的建設方案，并闡述了環(huán)網(wǎng)平臺的使用情況。關鍵詞：工業(yè)環(huán)網(wǎng);核心交換機;vlan;以太網(wǎng)：td67              &

2、#160; ：a               doi：10.15913/ki.kjycx.2015.01.109近年來，隨著能源行業(yè)的飛速發(fā)展，我國煤炭企業(yè)需要不斷提升管理水平、節(jié)約管理成本，以適應日趨嚴峻的市場環(huán)境。在此背景下，我國提出了“兩化”融合的戰(zhàn)略目標。所謂“兩化”融合，是指信息化與工業(yè)化的深度結(jié)合，旨在以信息化帶動工業(yè)化、以工業(yè)化促進信息化，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”融合目標為煤礦的綜合自動化

3、建設，而煤礦綜合自動化建設的重中之重為工業(yè)以太網(wǎng)平臺的建設。目前，多數(shù)煤礦企業(yè)均以工業(yè)以太網(wǎng)形式實現(xiàn)各類自動化控制系統(tǒng)的集中管控，進而形成了完整的管控一體化綜合應用平臺。簡而言之，工業(yè)以太網(wǎng)是將以太網(wǎng)技術應用于工業(yè)管理和控制領域的局域網(wǎng)技術，在技術層面上可與普通商用以太網(wǎng)（ieee 802.3標準）兼容，但在實際應用中，在材質(zhì)的選用、系統(tǒng)的抗干擾性、本質(zhì)安全性、操作的實時性和交互操作性等方面都需要加強，以滿足工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)的需要。工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)選用了以太網(wǎng)絡多種拓撲結(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。同時，在數(shù)據(jù)交換中具有自動檢測環(huán)路的

4、功能，當環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡上設備出現(xiàn)故障或一個方向的光纜斷傳時，能迅速切換至備用鏈路，以保證數(shù)據(jù)信息的實時、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，儲煤量為1.4×108 t，可采儲量為9.53×107 t。礦井設計中的生產(chǎn)能力為1.5×106 t/年，服務年限為45.4年，屬資源整合礦井。在規(guī)劃中，強化了礦井日常的管理和控制，充分把握了未來煤礦信息化的發(fā)展方向，以太網(wǎng)建設分別采用了自動化、信息化等技術手段，并整合了各類自動化系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)，最終建成了可

5、共享信息的綜合自動化平臺和綜合信息化平臺。1.1  網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)絡一般采用總線結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)。為了進一步提高網(wǎng)絡的可靠性，可以采用單環(huán)、雙環(huán)、雙星形或多總線等網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)絡冗余。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)絡拓撲描述一個網(wǎng)絡核心節(jié)點下聯(lián)各個分節(jié)點各個網(wǎng)絡節(jié)點串聯(lián)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)雙核心、雙接入節(jié)點，接入節(jié)點分別連接到核心節(jié)點，形成2套網(wǎng)絡每個網(wǎng)絡節(jié)點具有2 套網(wǎng)絡設備，各個節(jié)點串聯(lián)成2套環(huán)網(wǎng)優(yōu)點布線簡單、管理方便，可直接通過背板交換，交換速度快采用分布式網(wǎng)絡，允許光纖出現(xiàn)

6、一處斷點。當發(fā)生連路故障時，網(wǎng)絡可在500 ms內(nèi)自動切換至總線采用冗余網(wǎng)絡，允許交換機故障、光纖故障、網(wǎng)線（網(wǎng)卡）故障存在，直接通過背板交換，交換速度快采用冗余網(wǎng)絡，允許交換機故障、兩處光纖故障、網(wǎng)線（網(wǎng)卡）故障存在，是常用的高級工業(yè)冗余網(wǎng)絡系統(tǒng)缺點沒有冗余，且中央交換機的分線過于集中屬于簡單冗余，當某一交換機發(fā)生故障時，會導致單點網(wǎng)絡故障布線復雜，所有網(wǎng)絡設備均為雙份，成本高。冗余通過軟件編程實現(xiàn)，因此切換時間與程序編制有較大關系布線呈雙環(huán)形，布線簡單，其他成本，比如網(wǎng)絡設備、網(wǎng)絡光（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間基本<500 ms取決

7、于軟件鏈路故障恢復<500 ms，其他故障取決于軟件根據(jù)以上4種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)之間的對比，綜合評估實用性、性價比等方面后，結(jié)合礦井實際的應用需求，決定對井上系統(tǒng)、井下系統(tǒng)均采用單環(huán)網(wǎng)絡的方式組網(wǎng)。1.2  礦井環(huán)網(wǎng)的總體設計葛鋪煤礦礦井千兆控制網(wǎng)絡按區(qū)域、節(jié)點數(shù)量、規(guī)模劃分為2個工業(yè)以太網(wǎng)，即1個井上環(huán)網(wǎng)和1個井下環(huán)網(wǎng)。按照區(qū)域、生產(chǎn)自動化系統(tǒng)節(jié)點數(shù)量等情況設立網(wǎng)絡接入設備：井上千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)分別于主立井提升機房、副立井提升機房、篩分車間、鍋爐房、礦井水處理站和通風機房處設立節(jié)點;井下千兆環(huán)網(wǎng)于中央變電所、采區(qū)上山膠帶機頭和590水平膠帶機頭處設立節(jié)點，子網(wǎng)之間相互

8、獨立，該網(wǎng)絡運行在一個相對獨立的網(wǎng)段中，且與礦管理局域網(wǎng)絡相聯(lián)。 為了達到工業(yè)網(wǎng)絡安全級別的要求，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1個單獨的環(huán)網(wǎng)核心交換機交換信息的方式。使用網(wǎng)段vlan的劃分可確保每個環(huán)網(wǎng)的單點故障不會影響另外一個環(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)傳輸不會出現(xiàn)廣播風暴，導致數(shù)據(jù)丟失或阻塞。同時，通過合理地分配ip地址，使之與網(wǎng)絡拓撲層次結(jié)構(gòu)相適應，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網(wǎng)絡地址的可管理性。2  環(huán)網(wǎng)的建設方案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

9、料在抗干擾性、電磁兼容性、可靠性和可用性等方面無法完全適應工業(yè)環(huán)境的要求，因此環(huán)網(wǎng)硬件的選擇應認真、謹慎。環(huán)型以太網(wǎng)為千兆工業(yè)以太網(wǎng)，可為全礦各個子系統(tǒng)提供方便、靈活的工業(yè)以太網(wǎng)接口?？紤]到煤礦企業(yè)今后的自動化改造和設備更新，井上環(huán)網(wǎng)各節(jié)點選用了能夠方便更換和擴展接口的ms4128交換機，交換機采用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)絡交換機，交換機采用礦用12芯（mgtsv-i）阻燃光纜連接形成的環(huán)路。2個子網(wǎng)通過2臺mach-4002核心交換機連接，并使用2條通信鏈路分別連接至聯(lián)建樓調(diào)度中心，以達到上聯(lián)鏈路冗余的目的。在此情況下，整體自

10、動化工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)形成了由2臺核心交換機、井下環(huán)網(wǎng)、井上環(huán)網(wǎng)組成的雙環(huán)網(wǎng)絡，且每個網(wǎng)絡都由2條鏈路連接至核心設備，以防出現(xiàn)單點故障。2.2  環(huán)網(wǎng)valn和ip設置規(guī)劃vlan（虛擬局域網(wǎng)）技術可以隔離各控制系統(tǒng)之間的廣播泛濫，從而提高網(wǎng)絡性能，保證各子控制系統(tǒng)之間的獨立，方便多系統(tǒng)實時擴展。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)測系統(tǒng)、vlan41屬于移動通訊系統(tǒng)。雖然葛鋪煤礦自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡的信息節(jié)點較多、業(yè)務較多，但是，整個網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)信息點較少。因此，以操作簡單、易維護為

11、目的，在項目設計中，應在每個生產(chǎn)監(jiān)控環(huán)節(jié)通訊數(shù)據(jù)業(yè)務分配一個c類地址段，最大可具有254個主機地址，從而滿足葛鋪煤礦綜合自動化子系統(tǒng)不斷擴大的網(wǎng)絡需求。2.3  環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡管理環(huán)網(wǎng)選用赫思曼公司提供的hivision網(wǎng)絡管理軟件統(tǒng)一管理整個網(wǎng)絡的設備。在hivision軟件中，可查詢各種故障報警的歷史記錄，能實時查看每個交換機的端口狀態(tài)、通訊流量和設置信息等，并允許使用萬維網(wǎng)瀏覽器訪問并配置網(wǎng)絡設備（通過http提供）。hivision可與網(wǎng)絡設備有機集成，且無須完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。此外，所有的管理信息都通過http協(xié)議傳送，具有方便、快捷的特點，且具有操作性和實時性，有利于管理員

12、實時監(jiān)管系統(tǒng)。3  環(huán)網(wǎng)安全設置保證網(wǎng)絡的正常運行對于聯(lián)網(wǎng)企業(yè)而言十分關鍵，安全的網(wǎng)絡環(huán)境可保證礦方高效、準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)絡環(huán)境中存在的漏洞。因此，應有機結(jié)合實際的網(wǎng)絡環(huán)境，建立1套安全的防范系統(tǒng)，填補系統(tǒng)中各個級別的漏洞，切斷非法用戶的入侵渠道。礦方可采用以下4種方法保證網(wǎng)絡安全：在敷設網(wǎng)絡控制層的光纜時，應使用多芯備份光纖，同時，應不定期檢查通信線路的安全性，以保證各信息點訪問的暢通。在各端口上設定數(shù)據(jù)流過濾，防止企業(yè)內(nèi)部的ip地址欺騙。在設備上設定各類訪問權限，配置訪問控制表，設備內(nèi)部網(wǎng)絡為

13、只有維護人員可登錄。同時，限制所有來自internet的用戶對設備的訪問（包括ping、telnet、discard、echo和snmp等），且只有維護人員可使用snmp訪問。結(jié)合實際選用1臺sis-3000-ge-td隔離網(wǎng)閘，用來連接綜合自動化環(huán)網(wǎng)與企業(yè)信息化管理網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)控制層網(wǎng)絡與信息層網(wǎng)絡的有效隔離;在企業(yè)管理網(wǎng)絡與集團公司連接節(jié)點上設置power v-3a26-td防火墻，以保證網(wǎng)絡安全運轉(zhuǎn)。4  環(huán)網(wǎng)的運行情況目前，已投入使用的葛鋪礦綜合自動化環(huán)網(wǎng)平臺運行有序、穩(wěn)定。人員定位系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)等監(jiān)測控制子系統(tǒng)均有機集成到環(huán)網(wǎng)平臺中;井下多路工業(yè)視

14、頻信號通過環(huán)網(wǎng)實時傳輸至調(diào)度中心，全礦可實時掌握礦井的生產(chǎn)動態(tài);井下各系統(tǒng)分站與地面中心服務器通過環(huán)網(wǎng)及時、準確地傳輸數(shù)據(jù);各個子系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠高效、有序地完成礦井日常監(jiān)測和控制工作。綜合自動化環(huán)網(wǎng)平臺的建設和使用是葛鋪礦建設數(shù)字礦山宏偉目標道路上的一個重要里程碑，為今后礦山數(shù)字化建設打下了堅實的基礎。參考文獻1何國家，張瑞璽.第六屆全國煤炭工業(yè)生產(chǎn)一線青年技術創(chuàng)新文集m.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.編輯：張思楠discussion on the gepu coal mine synthetical automati

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