万兆工业以太环网在煤矿智能化矿山中的研究与应用

陈昊聪

（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000）

0 引 言

网络建设作为矿山智能化发展的基础性工程，在煤矿智能化发展中，数据传输的高速性、稳定性、安全性是制约矿山智能化发展的重要内容，在以往的矿山工业网络建设中往往以使用为目的，并未对网络进行整体拓扑规划，导致出现时延与信息孤岛等现象，严重影响矿山网络的安全性与可靠性，制约着矿山智能化的建设。本文以冀中能源股份有限公司邢东矿智能化矿山建设中的万兆工业环网建设为中心，详细阐述矿山智能化建设中万兆信息网络的整体规划与建设方案。

邢东矿位于邢台市，隶属冀中能源集团，采煤方法为全部充填开采，煤层赋存在-580～-1200 m，核定生产能力125 万t/a。矿井智能化整体建设以万兆工业环网为核心，通过光纤有线网络与5G蜂窝通信无线网络，实现对矿井下34 项智能化子系统的整合与应用，形成“一张网”架构规划，实现了覆盖全矿井的信息传输与共享，杜绝了信息孤岛现象与数据时延，解决了矿井网络数据传输与智能化建设的瓶颈。

1 万兆工业以太环网整体建设要求

在以往的邢东矿工业网络中采取了千兆主干网络、百兆交换机接口与星形混合拓扑结构，设置5台节点交换机，采用MOXA 与赫斯曼交换机，随矿井网络的需求发展，在新设备的布置上采取直连式就近接入附近的节点交换机，导致生产与视频系统混用，并且在接入中未进行上层设计，未对网络进行VLAN 划分，导致数据在传输中出现时延与堵塞。

万兆工业以太环网新网络系统的建设，第一点便需要考虑对矿井生产组织上的影响，以往的信息网络系统虽然并不能满足网络需求，但是可以作为新网络系统建设的组网中的节点，首先需要解决以往网络的IP 划分，重新规划IP 网段与VLAN，从另外角度来说仅保留了硬件设备，而拓扑结构已经被重新规划和调整。万兆工业以太环网的工业核心配备2 台华为S7706 核心交换机，井下工业节点分别在各变电所共配备6 台矿用隔离防爆万兆交换机，同时全部配备UPS 电源保护，并在以太环网中配备物理网闸进行数据隔离，以满足通信数据的内部安全，杜绝了绝大多数的远程网络攻击和数据抓包。各交换机之间采用双端口连接，独立成环，整体构成完整的双环光纤链路，具有一定的应对外力损坏的能力，在光纤链路受到破坏时，主备自动交换重新进行数据抓包并报警，实现50 ms 内环路的正常数据通信，减少了网络传输的丢包率。

1.1 核心网络

邢东矿万兆工业以太环网的工业核心采用华为S7706 型POE 三层交换机，传输速率1 000 Mbps，可以支持存储-转发交换方式，包转发率最高可达26 400 Mbps，具有6 个扩展业务槽位，可以实现24 个万兆光口，8 个千兆光口，12 个千兆/百兆自适应电口，自带485 接口的端口配置，不仅满足当下邢东矿智能化矿山建设的高速数据传输的网络需求，还为系统整体升级预留了扩展业务槽位。该工业核心具有完善的二、三层组播协议，支持PIM SM、PIMDM等多网络协议，满足多终端高清视频监控以及视频接入需求。并且满足IPv4/IPv6 双协议栈，支持多种隧道技术，支持IPv6 静态路由、RIPng、OSPFv3、BGP+、IS-ISv6、IPv6 组 播，满足IPv6 独立组网和IPv4/IPv6 混合组网要求（图1）。

图1 邢东矿万兆工业以太环网拓扑图Fig.1 10 Gigabit industrial Ethernet ring network topology in Xingdong Mine

1.2 环网设备及功能

万兆工业以太环网设备工业核心配置有2 台华为S7006 核心交换机，用于连接调度中心服务器、工作站及接入层网络设备等，单台配置24 口万兆光口。井下配置6 台矿用隔爆型万兆以太网环网交换机，连接附近监控及自动化子系统设备，同时增加UPS 电源保护，在市电停电后，可保障持续运行4 h 以上。工业核心万兆交换机与井下矿用防爆节点万兆交换机之间采取端口双链路环路物理配置，通过工业核心万兆交换机实现数据层万兆传输通信。万兆工业以太环网采取节点双环路配置组成，所有的万兆节点交换机全部采取万兆光纤双端口双工通信构建成完整的光线数据链路，各万兆交换机之间具有完备的路由表与树协议。当其中某一段光纤链路在工作中被破坏或发生网络设备故障后，整个网络采区主备交换的方式自愈，并确保在50 ms 内恢复正常的数据交换与路由协议，大大降低了链路数据的丢包。

该万兆工业以太环网系统可以提供足够的网络带宽及多种硬件接口满足多系统的接入，三层交换结构支持快速生成树协议用于网络主备冗余和环冗余的快速数据链路传输。并且具有线路断线、端口低电平的网络自诊断功能，在发现报警时，主动发送报警信息到远程镜像端口，以便于对数据和端口状态进行实时监控与及时处理。在数据安全方面可提供完善的NAC 解决方案，支持MAC 地址认证、portal1 认证、802.1x 认证、DHCP Snooping 触发认证多种认证方式，以有效应对移动设备接入、哑终端接入与集中式IP 地址分配的多种接入方式。可实现设备的快速布置，并且具有2 级CPU 保护机制，支持硬件保护队列，可实现采集数据和算法控制的分离处理，防止拒绝服务攻击、非法接入以及控制平面过载等安全威胁。

1.3 井下5G 无线宽带网络

5G 无线宽带网络是矿井智能化网络系统的关键，面对井下复杂的工业生产环境和有限的空间，可以减少在数据采集端有线网络链路的接入，以及应对移动控制与无法有线链路连接的设备，比如在移动矿车的数据采集中，有线网络存在距离等非可行性约束，在水位与煤壁压力等方面存在线路布置与区域更换等存在无法快速接入光纤链路等因素，以上采用无线宽带网络的蜂窝物联网传输无疑是最好的应用策略。

该5G 无线宽带网络不仅支持井下防爆矿用手持移动端设备的接入，还支持ZigBee 紫蜂低速短距离传输的无线上网协议，可以支持大量上网节点具有低功耗、低成本、低复杂度优势，适合对矿用井下变电所设备等静态设备的动态感知传感器的数据收发。该系统还支持NB-IoT 窄带物联网和RFID 设备对井下矿车运输系统的数据识别与传输。无线宽带网络系统在万兆工业环网的建设中作为系统接入设备层最关键的一个环节在矿井的智能化物联感知与底层数据采集方面有着无可替代的作用，成为智能化矿山建设不可或缺的一环（图2）。

图2 邢东矿井下5G无线宽带网络示意Fig.2 5G wireless broadband network in Xingdong Mine

2 万兆工业以太环网在煤矿智能化建设中的应用

网络建成后，2 个工业核心之间通过一组链路聚合的端口互连，井上、井下2 个工业环网分别通过双耦合技术连接至2 台核心，各个环网节点就近连接环网附近工业设备，达到信息传输，工业控制等目的。将现有的信息系统如工业视频系统、主副井动力提升自动化集中分控系统、供电、排水、主通风机、压风机、矿井水自动配比、井下皮带运输、矸石充填工作面自动化等系统接入，各系统都通过环网进行通讯，保证了数据快速可靠的传输。随着矿山智能化建设各系统的投入和使用，智能传感器、矿山融合通信、AI 数据分析与处理、云服务等多系统协同控制的实现，都离不开网络通信数据的稳定与高效，高稳定性上层拓扑网络分层设计的万兆工业以太环网技术作为信息化智能化的基础，可以实现矿山复杂环境下生产网络内人员信息、环境变量、设备动态和基础设施信息的高效采集。

3 结 语

邢东矿智能化矿山建设依托万兆工业以太环网系统的建成，有力的保障了未来5～10 a 各工业控制系统的接入、井下巷道不断延伸以及视频摄像仪和其他控制子系统的不断新增扩展，不会再受到网络带宽和接入端口数量限制，充分满足了当前以及后期的使用需求，极大地保证了系统数据的传输，推动了智能化技术与煤炭产业融合发展，提升了煤矿智能化水平，促进煤炭工业高质量发展。