多网融合在数字化地下矿山中的应用

余 亮，谢 瑶

(1.江西瑞林电气自动化有限公司，江西南昌330031；2.江西电信宜春分公司，江西宜春336000)

多网融合在数字化地下矿山中的应用

余 亮1，谢 瑶2

(1.江西瑞林电气自动化有限公司，江西南昌330031；2.江西电信宜春分公司，江西宜春336000)

基于工业以太网,建设满足地下矿山三大系统和地下矿山自动化控制系统“多网合一”要求的综合通信传输平台。通过该平台将地下矿山人员定位系统、地下矿山监测监控系统、地下矿山通信联络系统和地下矿山自动化控制系统的数据上传至地面控制中心统一控制、存储及显示,并对交换机的各端口划分VLAN,以抑制因多网融合造成的网络风暴。

数字化地下矿山;工业以太网;综合通信传输平台;VLAN

近年来,不断发生的地下矿山安全事故引起了各级主管部门的高度重视,也使地下矿山开采行业安全生产信息化建设备受关注。各现有和新建的金属、非金属地下矿山陆续建立了地下矿山人员定位、地下矿山监测监控和地下矿山通信联络等系统[1]（以下简称“地下矿山三大系统”）。但目前大多数企业的地下矿山三大系统自成体系,未进行总体设计和建设,需要独立建立各自的通信传输平台,不仅造成重复投资,也不便于后续施工、操作及维护,很难为今后地下矿山的深部拓展和改造留有扩充的余地[2-3]。另外,地下矿山自动化控制的程度标志着数字化地下矿山的建设水平。地下矿山主要设备包括通风机、水泵和空压机等。目前,对这些设备的控制和工作状态的监视大多数采用人工操作方式,仅少数矿山建立了独立自动化控制系统,但均未和其他地下矿山数字化系统进行总体建设和设计[4-5]。本文拟基于工业以太网,建设满足地下矿山三大系统和地下矿山自动化控制系统“多网合一”要求的综合通信传输平台。

1 综合通信传输平台

综合通信传输平台的构建是地下矿山数字化系统建设的基础。平台由地面核心汇聚交换机(3层交换)、矿用本安型以太网交换机(2层交换)和带交换功能的综合分站等设备构成。平台利用地面核心汇聚层交换机和矿用本安型以太网交换机组成主干千兆通信环网,水平巷道利用矿用本安型以太网交换机和带交换功能的综合分站组成百兆树型网络,综合通信传输平台网络拓扑结构如图1所示。

图1 综合通信传输平台网络拓扑

主干光纤由地面核心汇聚层交换机引出,由一处井口从上至下依次连接各中段处的矿用本安型以太网交换机,最终由井底最后一台矿用本安型以太网交换机引出,从另一处井口处引回至地面核心汇聚交换机,形成千兆光纤环网。千兆光纤环网可以提供链路冗余,当某条正在工作的链路意外损坏时,可以快速切换到冗余链路,保证发生意外情况时井上至井下的链路不会中断。矿用本安型以太网交换机配置后备UPS电源,可保证电力中断保持2 h以上的工作时间。

各水平巷道内的综合分站采用树型联网方式接入至主干千兆通信环网。综合分站集百兆网络交换、人员定位、监测监控和无线通信等功能于一体,通过综合分站百兆网络交换功能可将视频监控和有线通信联络等系统数据上传至地面。

2 地下矿山三大系统

地下矿山三大系统包含人员定位系统、监测监控系统和通信联络系统,三大系统拓扑如图2所示。

图2 地下矿山三大系统拓扑

2.1 地下矿山人员定位系统

地下矿山发生矿难时,通过人员定位系统,可及时、准确地获取井下人员位置信息,对于人员营救可节省宝贵的时间。地下矿山人员定位系统实现方法为,在人员出入井口和重点区域进出口等地点应安装综合分站或人员定位读卡器。分站(读卡器)采用无线zigbee技术接收人员识别卡信息,再通过综合通信传输平台将人员的相关信息(包括姓名、所在位置、具体时间等信息)传输至地面控制中心存储、数据处理及显示。地面监控人员可在GIS井下地图实时观测到所有地下矿山人员的真实分布情况、数量、姓名,在信号覆盖范围内可对人员进行精确定位,或回放其活动路线,同时可进行人员考勤管理,并可收发短信,适时报警。

2.2 地下矿山监测监控系统

监测监控系统分为井下环境监测系统和视频监控系统。1）环境监测系统用于监测地下矿山有毒有害气体浓度,以及风速、风压、温度、烟雾、通风机开停状态、地压等。根据“预防为主”的原则,安装环境监测系统有利于早期发现危险源,从而消除安全隐患,避免事故发生或减少事故的损失程度。地下矿山环境监测系统实现方法为,按照《金属非金属地下矿山监测监控系统建设规范》（AQ2031-2011）的要求,在地下矿山各处设置用于监测有毒有害气体、风速、风压、温度、烟雾、风机开停和地压等各类传感器和矿用监测监控分站。采用RS485串行通信方式将各前端传感器采集到的监测数据传输至矿用监测监控分站,经分站处理,再通过综合通信传输平台传输至地面控制中心存储、数据处理及显示。地面监控人员可随时了解地下矿山下各传感器的状态。一旦监测值超标,监测现场与矿指挥调度中心将同时发出警报,以提醒井下人员撤离和便于矿领导科学调度。2）地下矿山视频监控系统采用全彩色数字图像监控系统,前端摄像机均选用IP网络摄像机。在提升人员的井口信号房、提升机房,以及井口、马头门(调车场)、紧急避险设施、井下爆破器材库、油库、中央变电所等主要硐室设置视频监控前端摄像机,通过综合通信传输平台,将这些人员进出场所和重点区域等处的视频图像数据传输至地面控制中心存储及显示。

2.3 地下矿山通信联络系统

通信联络系统分为有线通信联络系统和无线通信联络系统。1）有线通信联络系统。地下矿山通信联络系统主要由IP调度交换机、多媒体触摸屏调度台、中继语音网关、矿用电话分线盒、矿用电话终端等设备组成。系统实现方法为,按照《地下矿山通信联络系统建设规范》（AQ2036-2011）的要求,在地下矿山相关处设置矿用电话终端,通过矿用电话线缆将终端数据汇聚到中继语音网关(一台设备可接入多台矿用电话终端),采用5类线将中继语音网关接入至综合通信传输平台,通过该平台即可实现IP程控电话调度。2）无线通信联络系统。系统选用带wifi通信功能的综合分站,并为井下人员配备带wifi功能的矿用手机,综合分站接收手机通信数据,通过综合通信传输平台实现手机间的通信。

3 井下PLC控制系统

为实现井下水泵房、空压机站和通风机房等处“无人值守”的目标,需对这3处设置PLC控制系统。根据各处相关情况,设置PLC控制站、远程IO站、通信模块及相关仪表等设备,通过综合通信平台将系统各类数据上传至地面控制中心。井下PLC控制系统拓扑结构如图3所示。其中水泵房的控制系统用于根据水仓的水位实现各水泵自动远程开启或启停,并实时监控水泵运行时的各种状态参数;空压机机房的控制系统用于远程监控各空压机的运行、停止、故障和报警信号;通风机房的控制系统用于远程监测各通风机的集中、综合故障信号。各控制站、远程I/O站之间的通信采用TCP/IP协议的工业以太网,远程I/O与各现场设备之间的通信采用Profibus-DP协议的现场总线。

图3 井下PLC控制系统拓扑

4 VLAN的划分

VLAN(Virtual Local Area Network,虚拟局域网)不受物理位置的限制,可以将一个物理网段从逻辑上划分为多个子网。为抑制因多网融合造成的网络风暴,可采用划分VLAN来实现人员定位及监测、视频监控、通信联络及井下PLC控制等4个系统互不干扰。具体步骤为:1)在地面核心汇聚交换机上创建4个VLAN(11-14),并分别在这4个VLAN下创建4段私网地址(192.168.11-14.0/24);2)在井下各交换机上也创建相同VLAN,并在各上下联口进行透传;3)将上述4个系统分别接入各交换机端口,把同一系统所在端口加入相同的VLAN,实现相同VLAN内的网络设备互通;4)由于核心汇聚交换机有3层的路由功能,不同VLAN内的网络设备也可以互通,为能隔离不同网段,需在该交换机上创建访问控制列表(ACL)。

为验证上述方法,本文用Cisco Packet Tracer软件进行仿真,网络拓扑如图4所示。将人员定位及监测系统1、2的IP地址分别设置为192.168.11.2/24和192.168.11.3/24(这两个IP同属于VLAN11),视频监控系统2的IP地址设置为192.168.12.3/24(属于VLAN12),VLAN11内的 IP可以互通,VLAN11与VLAN12间的IP不能互通。

图4 实验拓扑图

5 结语

本文建立一套由工业以太网组成的多网融合综合通信传输平台。通过该平台不仅可以实现地下矿山3大系统和PLC控制系统的数据传输功能,而且便于后续其他数字化地下矿山系统接入,例如井下机车调度系统、井下供电监控系统等。且通过划分VLAN,可抑制多网融合造成的网络风暴。实践证明,该平台是多网融合在数字化地下矿山建设中的成功应用。

[1] S A Shuey.Mining technology for the 21st century:inco digs deep in Sudbury[J].E&M J_China,1999(2):7-11.

[2] 僧德文,李仲学,张顺堂,等.数字矿山系统框架与关键技术研究[J].金属矿山,2005(12):47-50.

[3] 赵安新,李白萍,卢建军.数字化矿山体系结构模型及其应用[J].工程设计学报,2007,14(5):423-426.

[4] 李淑芝,陈道贵.地下矿山信息化应用综述[J].金属矿山,2005(12): 51-53.

[5] 古德生.21世纪矿业[J].有色冶金设计与研究,2002,23(4):1-5.

Application of Multi-network Integration in the Digital Underground Mines

YU Liang1，XIE Yao2
(1.Jiangxi Nerin Electric&Automation Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China;2.Jiangxi Telecom Corporation Ltd.,Yichun,Jiangxi 336000,China)

Based on industrial Ethernet,build a comprehensive communication transmission platform that can satisfy the demands for underground mine three main systems and multiple play of underground mine auto-control system.Through this platform,data from underground mine personnel positioning system,underground mine monitoring and control system,underground mine communication system and underground mine automation control system can be uploaded to the ground control center to be uniformly controlled, stored and displayed.Moreover,we divide each switch port of VLAN to prevent the network storm caused by multi-network integration.

multi-network integration;optical fiber ring network;comprehensive communication transmission platform;VLAN

TN915

B

1004-4345(2014)04-0032-03

2014-05-24

江西省科技支撑计划项目(2010BGA02500)。

余 亮(1985—),男,主要从事通信专业设计与研究工作。