千兆工业以太网在晓南矿的应用

◎赵峥

一、前言

2011年，晓南矿对井上、下电力监控系统进行改造，为保证该监控系统安全、高效运转，提升晓南矿自动化、智能化水平，首先建立了一套千兆工业以太环网，作为电力监控系统控制指令、摇信、遥测及反馈等信号传输的骨干网络，同时传输井上下各重要场所的视频监视信号，在地面调度室显示及录像。该网络形成后，逐步将井下皮带机集控、井下中央水泵集控、视频监视、地面压风机、消防泵集控、东风井主扇监控、井下应急广播系统接入该网络系统，形成了晓南矿千兆工业以太网自动控制网络。

二、千兆工业以太环网组成

网络核心交换机由4台摩莎公司PT-7828网管型3层交换机组成，地面调度室设2台，其中1台与一水平中央变电所、二水平中央变电所PT-7828交换机构成井下千兆主干环网，各采区变电所安装EDS-510A交换机，构成二级千兆环网节点；另1台与主井、副井、压风机、瓦斯机、中央风井、东风井安装的摩莎EDS-510A千兆交换机构成地面千兆环网，各核心交换机采用光纤环形冗余连接方式，构成晓南矿井上下千兆工业以太主干环网，

环网功能特点：

1.兼容性好，技术支持广泛，采用TCP/IP标准的开放式网络协议，不同厂家的交换设备可无限链式扩展，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。

2.能方便的与Internet连接，支持几乎所有流行的网络协议，能够在网络中的任何节点，访问经过授权的监控系统。

3.模块化的设计，适合于井下复杂的生产条件变化。

4.通讯速率高，带宽高，满足高清视频信号的传输。

5.根据控制系统的不同，划分VLAN，各系统互不干扰。

三、监控控制系统应用

1.皮带机集中控制系统。

井下皮带机集控系统，上位机与下位机通过千兆光纤环网联网，传输控制指令，返回现场参数，实现井下皮带机单条或多条皮带机的集中控制，控制权可任意分配。能实现皮带机的各项检测保护功能；皮带机各种保护的动作反馈信号能在上位机、下位机同时显示并有声音报警。目前，中央平巷皮带机已实现了调度室远程全自动控制。

2.井下水泵集中控制系统。

井下控制系统PLC通过西门子以太网模块连接至井下环网交换机，地面调度监控主站对井下水泵实现远程监控。自动运行方式下，可根据工况设定，以及时间、水位、用电峰谷平等参数自动开启、停止水泵的运转，并能实现泵阀的联锁启动，对运行中的各种参数进行实时监控。

3.地面压风机监控系统。

压风机远程监控系统由远程控制站、PLC控制柜、现场传感器、电动执行设备（电动阀门）、视频监控系统及远程通讯网络组成。远程控制站设在矿调度室，通过远程控制站操作实现压风机的远程监控。自动运行模式下，通过调度室远程控制定义，选择压风机的主辅顺序关系，系统将自动按照供气压力设定值，顺序选择机组运行台数，使供气压力达到始终满足生产工况的需求，实现压风机自动运行。

4.应急救援通信系统。

井下通讯系统以有线网络为骨干，在井下设立若干网络终端，通过局域网覆盖井下巷道，利用矿用本安电话等终端接入设备来实现群呼组呼等功能，从而实现井上对井下语音调度以及井下对井上的信息反馈。将有关发生了何种紧急情况及发生在何处、采取何种应急措施等一系列指令覆盖至井下所有相关人员。在日常作业中，借助该系统指令可进行人员调度、指挥生产、通报生产情况等，从而更好地促进安全生产、提高井下作业效率。

5.视频监控系统。

系统由大屏幕显示器、硬盘录像机、视频交换机、防爆摄像机及相关配套缆线等组成，接入千兆工业以太环网。

采用网络云台摄像头和固定式矿用本安型摄像头，监视井下各重要场所，让调度员及管理人员及时作出判断和处理，发布指挥命令，实现实时监控和集中调度指挥的目的。

四、使用中发现的问题及发展方向

1.发现的问题。

（1）千兆带宽不能满足视频装置发展的需要。为提高井上、下各控制系统的自动化、智能化程度，必然升级各监控系统的视频装置，增加视频监控点，增加带宽占用。我矿已安装的网络数字型摄像头89个，均为高清摄像头，每个摄像头理论占用带宽为4M，带宽占用已达356M，由于视频编码的数据量变动性，其实际瞬时传输量以正负30%变动，由此可见，摄像头所占带宽比重非常大。而千兆工业以太环网理论计算占用带宽不得超过65%，一旦带宽占用数据达到传输顶峰，会出现数据传输延迟，广播风暴，使得远程控制系统指令不能传输，视频图像不能上传，由此，晓南矿增加的摄像头数量理论计算不得超过150个。

（2）使用百兆交换机产生传输瓶颈。晓南矿井下主干环网采用千兆交换机，每个千兆交换机配3个千兆光口、6个百兆电口，主要安装在2个中央变电所，5个采区变电所，因千兆交换机提供的千兆光口少，必须采用百兆电口连接百兆交换机，而一个百兆交换机链式安装摄像头不能超过10个，否则就会出现视频卡顿现象，阻碍摄像装置的扩展。

（3）部分控制系统、网络交换机、摄像头没有后备电源。控制系统、网络交换机、摄像头没有后备电源，在停电的情况下，网络数据不能传输，现场视频图像消失，不能及时反映停电时设备故障原因，不利于排查、解决故障。

2.发展方向。

利用现有的光纤主干网络，升级万兆交换设备，组成一级万兆环网；增加千兆交换机及安装地点，组成二级千兆环网，用以增加网络安全性。增加交换机、控制系统、摄像头后备电源，满足停电后网络数据的传输，现场视频图像的显示。增加井上下关键点摄像头安装数量，减少现场人员。

五、结论

各集控系统、视频监视系统即各自独立工作，又通过主干千兆网以太光纤环网连接，各分系统支线网采取星形结构与之连接，分别对各系统的数据进行统一采集，分级别分系统管理，每个分系统自成体系，u、互不干扰，可扩展性强。形成了晓南矿矿井大型设备集控系统立体化自动控制网络，提高了晓南矿自动化、智能化水平。

建设一个快速、高效、运行可靠的网络，是煤矿发展智能化、自动化的基础，在筹划阶段就应该充分考虑各接子系统网络带宽的需要，按照管控一体化的思路进行建设，预留足够的带宽设备及节点，实现生产、管理的数据共享，提高煤矿现代化管理水平，调高安全运行效率。