杜儿坪矿工业以太环网

1、杜儿坪矿概述

杜儿坪矿井田面积63.1平方公里，1956年建矿，隶属山西焦煤西山煤电集团公司。井下巷道分为两个水平，现生产工作面全部在1010水平巷道内，属斜井矿，现生产核定能力500万吨/年, 井下1010水平有一条主巷和三条大巷，每条大巷有一个采煤区；由于矿井开采时间长,井下巷道延伸长；地面各生产单位分布比较散，距离矿办公场所较远。1010水平井下巷道分布示意图如下：

‍‍图1 1010水平巷道分布示意图‍‍

随着矿井监测技术的不断发展，有越来越多的监测系统安装于井下和地面生产场所，对矿井的安全生产起着重要的作用。各系统大量的信息需要传输到矿各个调度部门，要建设一个高可靠性、高带宽、高速率的传输平台；实现数据、语音和视频同网传输，即“三网合一”的传输平台；建设覆盖全矿井的传输平台。根据实际应用需求和今后维护升级的工作需要，设计了以赫斯曼环网交换机构成的千兆工业以太环网。

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2、矿工业以太环网线路方案

煤矿井下环境恶劣，光缆的抗干扰性好于电缆，工业以太环网主干传输介质全部用光缆。而环网冗余是通过建立一个环状的拓扑结构来实现网络冗余，保证在网络单点故障时，通信依然正常。

由于井下特殊环境条件的限制要真正实现环网的拓扑结构非常困难。要覆盖井下所有大巷，通过一个环网把所有接入点的交换机连接，光缆的路径在多条巷道中重复出现，进出巷道的光缆全部位于同一巷道中，当巷道某处出事时会造成环网出现两个断点，造成部分设备的数据不能上传到地面调度中心，降低了环网的冗余性。为确保环网的冗余性，环网中所有交换机连接的光缆实现一个巷道进，从另一巷道出，减少进出巷道的光缆全部位于同一巷道中的情况。井下设计成两个环网，这样还可以将整个井下的信息量分配到了两个独立的环网中上传至地面中心，可以有效降低每个环网中的带宽占用率控制。

考虑到矿井地面各重要生产场所分布较广，且还有分布在偏远山上的，并且地面生产单位性质和井下的不同，还有地面数据、视频、语音系统的实时流量和峰值情况，决定地面工业场所单独设计成一个环网。全矿井环网拓扑图如下：‍‍

图2 环网拓扑

本次杜儿坪矿千兆工业以太环网共建设成3个环网，分别为地面工业场所千兆环网、南大巷至北一大巷千兆环网、北大巷至北二大巷千兆环网。

根据井下巷道分布图（图1）所示，两个环网的光缆路径设计如下：

环网1的路径：光缆由地面中心机房通过主井口下井，经南大巷、联络巷、北一大巷，由副井口上至地面中心机房；

环网2的路径：光缆由地面中心机房通过主井口下井，经中央变电所、北二大巷、暗斜井，由暗斜井到上水平巷道，通过西平峒至地面中心机房。

地面环网的路径：由地面中心机房到选矸车间、煤运公司、排矸公司、污水处理厂、新华变电所、北石沟变电所、主运输皮带至地面中心机房，中部变电所和南峪二号井由于地域分散不能入环网，以星型拓扑分别接地面中心机房。

备用路径：为了保证光链路的冗余性，地面环网和井下环网的光缆互为备用，地面环网所有光缆在北石沟成端，经北石沟通向井下北区变电所的电缆井架设48忒矿用阻燃光缆，在井下北区变电所成端，实现地面与井下光缆的连通。北一大巷和南大巷经联络巷的光缆也在此处成端，井下架设36芯矿用阻燃光缆，单个环用两芯光纤，另外留两芯备用。地面环网可通过北区变电所跳接井下环网光缆连接到地面中心机房，井下南大巷和北一大巷的环网可通过北区变电所跳接到地面环网光缆，实现光链路的不同路径冗余，同时也可以作为今后由单环网向双环网升级的另一链路，这样保证备用光缆路径与使用光缆路径的不同，提高了线路的冗余度。

3、地面中心机房设计方案路

3．1设计要求

1）地面中心机房是整个环网的控制核心，所有的服务器和系统的数据都将在此汇聚，传向不同的系统，核心设备配两台，互为备份；千兆光纤工业以太环网，冗余自恢复时间小于50MS。

2）生产信息要通过这里与管理信息系统相接，实现环网与办公信息网的连通；由于环网内的各系统关系到井下的安全生产，安全级别比办公信息网的系统要求高，必须保证环网的安全运行和正常的数据传输。

3）保证优先级高的系统数据优先传输；环网内的系统要实现远控功能，数据信号传输要优先于视频和语音信号的传输。

4）“三网合一”网内数据量大，核心设备数据处理能力要高；同时面对不断增长的数据量，核心交换机的数据处理能力要能满足矿的长时间需要。

5）不同类型的数据之间要实现隔离；地面和井下的生产信息不同，也要实现隔离。运用VLAN技术将不同的类型的数据进行分隔，将地面和井下信息进行分隔。

VLAN（虚拟局域网）是对连接到的第二层交换机端口的网络用户的逻辑分段，不受网络用户的物理位置限制而根据用户需求进行网络分段。一个VLAN可以在一个交换机或者跨交换机实现。VLAN可以根据网络用户的位置、作用或者根据网络用户所使用的应用程序和协议来进行分组。基于交换机的虚拟局域网能够为局域网解决冲突域、广播域、带宽问题。

3.2中心机房方案

1)核心设备方案

环网核心交换机选用两台赫斯曼MACH 4002 24-L3P三层（工作在网络层）交换机，支持VRRP协议，用于实现路由冗余；采用双机热备方式，实现核心交换机的冗余。

每台核心交换机配一块16个10/100/1000 MBIT/S自适应电口模块，用于和各系统的服务器相连；配一块8个千兆光电复用端口的模块，再配5个千兆单模光纤模块，用于3个环网相联，还有中部变电所和南峪二号井的相联；配M4-S-AC/DC内置电源模块，并配电源机箱及一台M4-P-AC/DC 300W外置电源模块，实现MACH4002交换机的电源冗余，一路接交流电，另一路接UPS电源。

2）VLAN划分方案

整个环网共划分八个VLAN，所有环网交换机的管理IP和交换机上各模块IP划一个VLAN，各系统服务器IP划一个VLAN，地面的视频、语音、数据分别划分成三个VLAN，井下的视频、语音、数据分别划分成三个VLAN，除服务器VLAN可以访问各VLAN外，其余各VLAN之间彼此不能访问，不能与办公信息网进行通讯。

矿井整个工业以太环网采用基于端口方式划分VLAN，视频系统的接入被划分到了每台节点交换机的最后两个端口上，并且规定了小数据包优先传输，保证其它生产安全监测系统的数据采集和控制命令的传输。

4、节点方案

各工业场所节点交换机主要是连接场所附近的生产控制系统，以达到控制和采集各系统设备数据的目的，各系统通过RJ45口或RS485口接入环网节点交换机。

地面环网每个节点交换机选用赫斯曼MS4128-L2P卡轨式二层交换机，配一块4端口光电复用的千兆模块，根据现场需要再配不同数量的千兆单模光纤模块，用于和其他MS4128交换机相联或与MACH 4002 交换机相联，配两块有4个10M/100M自适应RJ45电口的模块，另配一块有4个RS485口转RJ45电口的模块，实现RS485设备的接入；配2个RPS80EEC电源模块，实现MS4128-L2P交换机的电源冗余，一电源模块接交流电源，另一电源模块接UPS不间断电源，在交流电断电时，保证环网正常运行4小时。

井下环网每个节点安装矿用环网接入器，矿用环网接入器是防爆型式为矿用隔爆兼本质安全型，符合井下使用条件。接入器内装赫斯曼MS4128-L2P交换机，交换机所配模块与地面环网交换机所配设备一致；接入器供电电压为AC 127/220/380/660 V，内配有电压转换电路，可以从AC 127/220/380/660 V转换不直流；还配有两块12V铅酸充电电池，还交流供电与电池供电切换电路，可在井下交流停电时自动切换至电池供电，支持断电时间为2小时以上；并带有电池保护功能，防止电池因过度放电，而不能进行充电。

5、网络管理软件

环网建成后，对整个环网的管理包括故障管理、配置管理、性能管理和安全管理。

1）故障管理是网络管理的最基本功能，当环网运行出现异常时的管理操作。一旦环网运行

出现故障，可以根据网管软件的信息确定其原因和位置，然后采取措施进行修复，保障网络正常运行。环网故障管理包括故障检测、修复和隔离等内容。对网络故障的检测依赖于对网络设备的状态监测。要求网管软件可采集环网中所有交换机设备的状态信息，并且可以及时地发现问题，并通过诊断测试来辨别故障原因。

2）配置管理就是设定、收集、监测和管理网络设备配置数据，使得网络性能达到最优。配置管理的数据包括环网设备的容量和属性，以及它们之间的关系。要求网管软件可以设置系统参数、初始化和关闭系统资源；随着环网中系统接入的变化，可动态修改相关配置。

3）性能管理主要是通过收集和统计环网运行数据，对环网资源的运行状况和通信效率等进行评价。要求网管软件可以综合分析环网中各种因素影响的结果，并得出环网性能的相关数据，依据相关数据可对环网进行网络配置调整。

4）环网安全管理的主要内容包括授权管理、访问控制管理、审计检查跟踪和事件处理、加密管理等。

赫斯曼INDUSTRIAL HIVISION网管软件可以配置MACH 4002交换机系列模块和MICE 4128-L2P系列交换机。支持拓扑识别，可自动生成环网拓扑图；有设备状态，链路和连接状态(线缆中断，可用)，电源和风扇状态的实时监测，有故障报警和事件日志等功能；还有各交换机性能管理功能，可以实时反应每台交换机的资源使用情况；还有安全管理功能，可实现访问控制管理等功能。

‍‍6、方案实现功能‍‍

1）建成数字化、高速化、智能化、标准化的千兆工业以太环网。

2）建成涵盖杜儿坪矿井地面工业场区，井下南大巷、北一、北二大巷、中央变电所区域总共3个千兆工业环网。

3）系统建成后将实现资源共享、信息互通，提高矿井的自动化水平，发挥综合监控和调度协调作用。

4）优化网络结构，提高网络性能，提高企业综合信息基础设施水平，实现数据、语音、视频同网传输。

5）网络易维护，可以在地面中心机房实时掌握每台交换机第个端口的情况，可以通过管理工作站实现地面中心机房对各交换机的配置和维护。

6）升级方便，可以投入很少的资金对环网进行升级，在不改变环网结构和环网的正常使用的情况下便可以实施升级。

随着信息技术的不断发展，会有越来越多的系统应用到煤矿的安全生产过程中，这对环网要求越来越高，方案充分考虑了杜儿坪矿今后一个长时期内的应用需求，制定了一个具有先进性，可行性的方案。希望环网建成后能为杜儿坪矿的井下地面信息系统提供高速、高带宽信息高速公路。