基于万兆工业环网RSTP协议的煤矿信息化应用

王燕斌,何雨生,马加力,王 磊,韩 雷

（兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿,山东 兖州 272102）

1 系统概述

兴隆庄煤矿于2006年建成千兆级工业以太环网，目前已经运行10年。网络以单模光纤为主要传输介质,建成井下和地面两个相对独立而又互联的环形网络，双环通过调度室机房核心交换机连接。矿井现有工业以太环网拓扑结构如下：

矿调度室机房部署2台西门子1000M工业以太网交换机作为网络核心交换机，分别连接地面及井下环网。

1.1 目前主要存在以下问题及网络升级的必要性

1）地面及井下环网交换机与核心交换机为单点连接，安全性无法得到保证，一旦核心交换机发生故障，将影响整个环网。

2）系统为千兆环网，无法满足大量高清工业视频信号的传输要求。

3）一旦网络形成环路，会引起网络风暴，造成网络瘫痪。

4）无法形成多个环网结构，便于故障排查和处理。

5）井下UPS电源已连续使用超过10年，电池容量大幅度下降，不能满足安全规程要求，需要更换。

1.2 系统建设内容

为实现“机械化换人、自动化减人”的行动目标，需在井下重要生产岗点安装大量高清工业电视摄像机。为满足高清工业电视系统的数据传输要求，升级网络结构。本次项目创新的设计采用核心骨干万兆工业以太环及多个千兆以太环混合组网方式，在保护原有千兆工业环网投资的基础上，对兴隆庄煤矿现有千兆工业环网进行优化改造，将骨干网络节点扩容升级至万兆工业以太环网。

设计核心骨干万兆工业以太环由调度室机房部署的2台万兆级工业核心交换机，井下3台万兆级工业核心交换机组成。同时保持与集团公司连接网络拓扑不变，将现有链路直接连接至调度室机房核心万兆交换机。在调度室机房安装两台万兆工业以太网交换机XR528作为网络核心，同时将井下中央变电所、270变电所、十采变电所升级为矿用隔爆兼本安型万兆交换机，并与地面核心组成环网，形成井下万兆骨干工业以太网。每台万兆交换机配置3个万兆光口、4个千兆光口、20个千兆电口、双路供电模块，具备三层路由功能。

1）将原有17台千兆交换机按地域划分为地面、井下东翼、井下西翼、井下一采区域等数个千兆子环，以相交的方式耦合于万兆环网。每台千兆交换机配置2个千兆光口，20个百兆电口。

2）新采购6台矿用隔爆型UPS不间断电源，配置24V12AH电池，可在电网停电情况下，满足交换机2小时以上稳定运行。

本次设计网络升级拓扑结构图：

2 系统建设关键技术创新点

2.1 技术介绍

1）情况介绍。

原井下工业环网使用矿用隔爆型西门子交换机，井下各系统就近接入井下工业环网交换机，其他地面监控系统及子系统就近接入地面环网交换机。地面信息化机房的设备有H3C云服务器及模块化的云交换机，H3C的视频接入交换机，H3C的监测网接入交换机，华为交换机人员定位和无线通讯交换机各1台，以及各系统工作站客户端。万兆工业环网交换机采用的型号是XR528，配套的3路万兆光模块，2路万兆光模块通讯使用，1路万兆光模块备用，千兆工业环网交换机采用的型号是X-400，原来千兆工业环网冗余协议采用的是西门子私有的环网协议，其他厂家的交换机协议无法兼容西门子交换机，不能通过使用trunk端口协议进行数据通讯。

2）关键技术。

为了让工业环网交换机和地面其他厂家交换机协议互相兼容，环网冗余切换采用了RSTP快速生成树协议，万兆核心交换机设置为根桥交换机，所有的交换机通过寻找根桥进行通讯，避免了网络发生环路产生网络风暴，影响网络传输。冗余使得两条链路互为备用，一条链路发生故障，直接自动切换至另一条链路传输，使用RSTP快速生成书协议传输使得各交换机冗余切换得到了兼容和保证，同时各交换机支持TRUNK端口汇聚协议，通过配置虚拟局域网，规划各系统业务数据，有效降低网络广播域的大小，使得云交换机接收万兆核心交换机各虚拟局域网的数据，转发各虚拟服务器进行数据采集、应用和存储。

2.2 网络协议扩展性

1）交换机协议通用性。生产监测网和高清视频网数据量大，单一靠一条物理链路传输，带宽、稳定性、可靠性都不能保证，由于使用了兼容交换机的RSTP快速生成树协议，保证了交换机LACP端口链路聚合协议的兼容使用，生产监测网和高清视频网各使用两条六类网线进行传输，增加了网络带宽、数据的负载均衡的功能，提高了网络的可靠性。

2）虚拟云技术交换。H3C云服务器集成了模块化的云交换机，云服务器可以虚拟多个服务器和软件定义虚拟网络，每个虚拟的服务器对应每一个虚拟网络，就像真实的物理机一样采集网络里的数据。云服务器可以实现一键新增虚拟机，整合空闲的计算资源，利用虚拟交换机快速组件虚拟网络，部署配置灵活，使工业网络的数据更好的进行数据采集、整理和存储。一台万兆核心交换机与云交换机通过光纤连接，云交换机通过端口汇聚TRUNK协议将接收到的各系统数据通过VLAN虚拟局网协议转发各虚拟云服务器进行数据采集、应用，使得生产监测系统的组态应用，达到系统监测和控制，各系统客户端通过虚拟云服务器的数据就进行监测、控制、数据存储等。

云交换机虚拟网络结构图：

3 改进措施

1）系统升级改造后两个月测试万兆核心交换机，发现万兆核心交换机时断时通，但是业务数据不中断。用网络测试工具，测试发现视频网和生产监测网网络互通。根据网络安全要求，视频网和监控网不能互通，查看各环网交换机端口配置和资料，未发现有异常。编写技术安全措施查找网络故障，断开井下环网交换机与万兆核心环网交换机的连接，用一台笔记本电脑在万兆核心交换机进行测试，仍然发现视频网和生产监测网络互通，再断开地面环网交换机和万兆环网核心万兆交换机的连接，仍然存在故障隐患，于是把重点放在了万兆环网核心交换机上，发现万兆环网核心交换机下挂载一台去煤场分支的西门子环网交换机，把这台西门子环网交换机断开后，视频网和监测网不再互通，用ping命令测试万兆核心交换机不再出现时通时断的故障，到这台西门子环网交换机现场查看，发现有一个视频网络设备同时接到了视频网和生产监测网的端口，导致两个虚拟局域网的数据联通影响万兆核心交换机的管理。断开那台西门子交换机生产监测网的端口，恢复环网交换机到万兆核心交换机的通讯，此后没再发生故障。

2）万兆环网系统运行四个月后，突然产生大规模的网络风暴，用笔记本电脑ping命令测试万兆环网核心交换机不通，重启万兆环网核心交换机后恢复正常，几天后又出现同样的情况，重启万兆环网核心交换机后，重新对各环网交换机的端口进行配置查看，查看后对各环网交换机进行了RJ45端口的RSTP协议关闭措施，只保留主光纤通讯端口RSTP协议的开启。实施措施后，网络风暴间隔的时间的延长了，但仍不能避免网络风暴的产生。

3）通过对各交换机反复查看，发现各交换机之间硬件固件的版本差别很大，怀疑老版本的硬件固件对快速生成树RSTP协议支持不好，从西门子官网下载新的硬件固件对老的西门子环网交换机进行固件升级，升级后两个月没有再发生网络风暴。

4）万兆环网运行近一年时，对环网交换机进行运行测试，对各环网交换机进行远程重启，在测试过程中，发现有井下三台、地面一台交换机重启时会冲击万兆环网核心交换机，造成万兆核心交换机被冲击，在地面的测试过程中，发现万兆环网核心交换机虽然无法通讯，但各地面环网交换机之间是通讯的，根据以往的网络经验判断重启冲击万兆环网核心交换机的原因是老的千兆环网交换机虽然硬件固件升级了，但是对快速生成树RSTP协议支持不好，无法寻找到万兆核心根交换机，造成了网络冲击，通过更换千兆交换机后的一年时间没有再发生网络风暴和网络冲击时间。

4 网络升级总结

万兆环网使用快速生成树协议混合组网在国内的矿井实施项目是第一家，无经验可以利用，该网络组网方式避免了任何一台地面万兆环网核心交换机产生故障，造成系统瘫痪的隐患，任何一台环网交换机故障都不会造成各系统大量数据的中断，处理环网交换机故障影响小，恢复环网交换机时间短、速度快，将网络故障的影响降低最低。在我矿发生的网络故障原因一是现场施工人员对网络不了解，造成了网络的环路，对根交换机有一定的影响，如果不使用RSTP生成树协议很容易产生网络风暴，冲击网络。二是西门子千兆环网交换机，硬件老化和对快速生成树RSTP支持不好，更换三台西门子交换机予以解决。三是西门子私有的冗余协议无法使用LACP端口链路协议进行通讯，无法增加带宽和负载均衡。使用RSTP快速生成树协议通讯，才能配置机房万兆环网交换机和地面H3C视频交换机LACP端口链路协议，增加了网络带宽和流量负载均衡。通过进行以上各方面的技术措施后，该网络系统运行两年，各网络协议兼容性能良好。

RSTP快速生成树和私有环网协议功能对比：

5 网络升级后信息化应用

各系统监控信息通过工业环网传输，实现了信息的跨系统利用，在安全、生产、经营、管理等各个方面发挥了积极的作用。目前已建成集监测监控管理平台、生产技术管理智能分析软件、矿山安全智能化预警系统的煤矿安全生产动态信息系统，实现了各子系统的接入融合。初步实现了以下效果：

5.1 信息采集数字化

矿井先后建设了安全监测、光纤综合监测、人员定位、高清工业视频、微震监测、水文监测、机电设备管理等系统，特别是激光甲烷传感器和采空区测温光缆等新技术、新装备的应用，能够全方位监控井下环境信息和主要机电设备运行参数，并通过矿井万兆骨干工业环网传输到地面调度指挥中心，实现了现场环境和设备信息的数字化采集。

5.2 远程集控自动化

建立了地面集控中心，将高清工业视频与远程集控自动化系统有效结合，完成了胶带运输、供电、排水、压风等系统的远程集控改造，实现了井下皮带、变电所、泵房的无人值守，减少了现场操作、巡检人员，降低了安全管控难度。

工业网络升级为万兆工业环网后，在井下安装了近100多个数字高清摄像头，主要安装在皮带溜煤眼，有保护装置的皮带机头、机尾，主煤流皮带，共减少皮带岗位工6名。通过地面工业环网建设煤场计量衡过磅系统，设置了计量衡虚拟局域网。与传统的办公网络建设煤场计量衡相比，工业环网专用虚拟局域网更加快速、稳定，方便查找故障。煤场计量衡系统减少了过磅人员4名，通过电子标签进行车辆管理，提高了过磅效率，减少人为干预，发运数据与集团公司云计算数据中心实时交互，实现了集团公司对发运业务数据的统管。

5.3 生产设计可视化

建成了矿井三维地理信息系统，实现了井下巷道环境、人员位置和设备运行状态的三维实时可视化，配套开发了采掘设计、输配电、通风、供排水等三维仿真系统，实现了井下智能调风、事故模拟演练等功能，为矿井生产设计和应急救援提供了可视化支持。

5.4 决策处理智能化

建成了矿井生产云平台和数据中心，以矿井综合自动化系统为基础，以工业大数据分析为手段，建立了设备运维在线监测、图像智能识别、安全隐患分析等系统，通过多源业务门户集中展示，全面提升了矿井生产管理与决策的科学性。

在两化融合及三化建设方面，我矿还承担了国家“机械化换人、自动化减人”试点示范和省安全监控系统升级改造示范项目，全部按要求完成，并达到示范效果。

5.5 矿井云数据中心

根据集团公司已经建设的私有云架构思路，将兴隆庄矿云数据中心纳入集团公司整体云计算管理架构下进行统一管理，在集团对矿井云做异地数据灾备，做到了可扩展、可复用。建成了矿井工业云平台，将矿井综合自动化平台服务器及其他安全生产系统服务器搭建在云平台上，极大提升了系统的稳定性、可靠性、可用性，同时有效节省了机房空间，提高了服务器的利用率。

5.6 大数据系统建设

建立了光纤综合监测系统，与安全监测系统互为补充，形成了多参数、大容量的环境监测系统；建立了大型机电设备在线监测系统，通过设备实时跟踪及历史数据分析，实现故障诊断和预测预警；建立了皮带视频智能分析系统（10306工作面皮带），通过视频智能监测和识别，实现了大煤块、矸石、锚杆等异物智能报警和联动，防止堵仓、堆煤、皮带撕裂等事故的发生；建立了安全隐患分析预警及联动系统，充分利用煤矿监测技术对危险源进行监控，提取有价值的数据，对风险状态信息进行分析判断，为风险预控和安全生产提供了可靠保障。系统主要实现了瓦斯浓度异常分析预警、安全管理分析评价、水文监测分析预警、顶板及冲击地压分析、采空区发火分析预警、人员定位分析、气象监测分析预警、产量监测分析、主要生产系统能耗分析等功能。

5.7 多源业务门户

建立了多源业务门户系统，从矿井云数据中心采集抽取各种数据，通过WEB、移动客户端等多元化的数据展现方式集中展示，并把各种应用系统集成到企业信息门户下，根据用户的使用特点和角色不同，形成个性化的应用界面，帮助各级管理人员获得综合性的信息并进行集中分析，协助他们做出更有利的决策。

6 结 论

兴隆庄煤矿基于万兆工业环网RSTP协议的煤矿信息化应用，达到了减人提效的要求，生产系统可视化和大数据分析系统为安全生产提供了数据依据，生产云的建设提高了设备使用率，整合系统资源，为信息化建设提供了良好的基础，实现了兴隆庄煤矿的安全、高效生产和国家新旧动能转换、两化融合建设的先期目标。