组网技术在太原东山煤矿中的运用

□古玲聪

(山西煤炭职业技术学院，山西 太原 030031)

太原东山煤矿有限责任公司是一座设计能力为年产150万吨的矿井，矿井面积28.8Km2，地质储量24600万吨，可采储量6000万吨。矿井开拓方式为斜井开拓，属低瓦斯矿井，矿井的现开采煤层为12#、15#煤层，15#煤层容易自燃，煤尘具有爆炸性，煤层平均厚度6.5米。12#煤层不易自然，煤尘具有弱爆炸性,煤层平均厚度2米。煤矿井下生产环境复杂、多变、条件恶劣，计算机网络是煤矿安全、高效生产的基础。在监控系统中，所有监测设备通过信号转换经交换机与地面监控机通讯，监控机房的各类监测信息需要共享综合，提供局域网内随时浏览功能。这样，在煤矿的井下与井上组建合适的局域网是至关重要的。

一、井下组网

东山煤矿井下组网方式采用工业以太环网+现场总线模式。控制层采用工业以太环网，通讯网络采用双环网技术实现井下各采区之间与地面监控机房相互联系，实现数据安全传输，并可靠防止任一节点出现问题，而影响安全监测；设备层采用现场总线的方式。

1.工业以太环网。煤矿井下工业以太网是指技术上与以太网兼容，但在产品，在材质、强度、实用性、可互操作性、稳定性、抗干扰性和防暴、本质安全等方面能满足煤矿井下现场需要的以太网。工业以太网的拓扑结构可以是总线、星型、环型，以太环网是在原来星型、树型、链路型等拓扑架构的基础上，实现的一种高可靠的环网冗余架构。东山煤矿矿井开采采用分区上下山开采，为实现各采区监控系统的方便接入，在各采区安设交换机。假如交换机A与交换机B相连，B再与C相连，C再与A相连构成一个环网，如果ABC不是工业交换机，没有管理环网的机制，那么数据会在环内滚动，直到将网络堵塞，产生广播风暴。井下工业以太环网平台由地面光纤环网交换机、井下本安环网交换机和防爆电源等组成。工业以太环网有自愈技术，当网络架构突然一处故障时，还能使数据安全的到达目的地。若交换机ABC均为支持环网的交换机，工作时会自动闭塞其中一个端口，例如把交换机A与B相连的A的端口1暂时关掉(物理连接是连通的，只是芯片把端口1关掉)，B的数据是不能直接传输给A的。如果其他线路采取同样的措施，那么数据传输就是B→C→A；当线路故障时，A被关掉的端口会在50MS内自动打开，使B和C的数据能安全传输给A，数据传输就变成C→B→A，直到C连接A的线路恢复正常，整个网络会恢复到原来的状态。根据井下特殊环境和条件要求，工业环网交换机的机箱需要防暴、防尘、防潮，交换机芯片工作要稳定，由本安型电源供电，并可宽电压接入。东山煤矿井下交换机使用的是N-TRON 9000交换机，该交换机可提供超凡的性能，能够通过完整的管理功能轻松安全地连接工业设备。采用工业以太环网组网方便、投资比较小、可靠性高、传输速度较快，适应井下复杂、多变、恶劣的环境。

2.现场总线。现场总线主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。作为工厂网络底层的现场总线，支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、电力线等，接线十分简单。由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而材料用量少，连接工作量小。当设备需要增加时，不必要增设新的电缆，只要连接在就近的原有电缆上即可。它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差，适合于煤矿中对数据传输和实时控制较高的要求，实现对煤矿中各方面的实时监控。CAN总线是一种分布式的控制系统，很多控制器协同完成特定功能的任务；每个节点比较简单，可靠性高，使用的线缆少。通常使用CAN-bus总线型拓扑结构，并在合适的位置安装网桥，形成树型或星型拓扑，这样，方便整个施工与网络布线，节省电缆成本，又提高了通讯效率，增强了整个的网络设备连接能力。网络中的各个CAN节点与网络干线之间采用分支连接，在实际应用中分线要尽可能的短，分支网络通过网络设备连接到主干线上，多条分支网络通过集线器连接到干线。传输介质可以使用双绞线、屏蔽双绞线、单模光纤。井下传输采用矿用单模光缆，能达到矿井环境的机械强度、耐潮、防静电等性能的矿井专用光缆。

3.工业以太环网+现场总线。由于东山煤矿井下的结构比较复杂，矿井开拓方式为斜井开拓，存在较多的分支巷道，多为树形结构或鱼刺形结构，所以采用以太环网+CAN总线方式组网模式。第一级网络是监控单元和各监控点之间的局域网，采用CAN现场总线。每个分站到通讯接口数据协议相同，每套系统有统一的通讯接口。第二级网络是远程计算机和设备现场监控单元的连接，采用工业以太环网。根据太原东山煤矿采掘情况，现工作面主要分布在五、七采区，为了加强五、七采区工作面的自动监测，分别在五、七采区变电所设置工业交换机。采用以太环网+CAN总线实现数据网络传输，有以下优点：(1)CAN总线方式，易于实现、便于安装维护、综合成本较低。(2)井下各采区交换机与地面监控计算机通讯稳定，传输质量好，并在地面实现对井下交换机的设置及通讯设备的简单控制。(3)通过信号转换实现通讯协议统一，达到监控计算机通过IP地址访问对应信号转换设备。(4)各个系统的数据通过就近的网络交换机实现网络传输，且某一分站故障不影响其他区域。

二、通讯协议及IP分配

通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的数据通信系统，要使其能协同工作实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则，这个规则就是通信协议。通过TCP/IP协议对各子监控系统进行IP设置，实现各系统的识别与接入。子系统接入采用以太网接口，即RJ45口，以保证物理通道畅通。IP地址是IP网络中数据传输的依据，它标识了IP网络中的一个连接。 对IP的分配实行灵活方便的原则，根据系统分配：一个独立的系统用一个号段的IP；地面上的计算机根据办公室的位置分配IP和根据领导的职责范围分配IP。

三、地面网络体系结构

1.基于B/S结构的煤矿管理网络。工业以太网是公共信息传输平台，为了保证工业以太网的安全，防止非法用户的登录、计算机病毒的侵入及传播，结合煤矿的实际安全，生产情况，采用百兆防火墙将工业以太网与矿管理信息局域网相连；并在监控室设置综合监控服务器，对所有监测信息进行收集。用防火墙将工业以太网和地面局域网物理上隔离，使信息网上的数据与控制网的数据在可控的状态下实现数据互访。这样，以太网的信息只能单向地传输给地面的WEB服务器，公司领导可在办公室随时了解井下实际情况，管理人员能通过地面上的PC终端的IE浏览器访问综合监控服务器，随时了解井下各种监测点情况；并在地面实现对井下交换机的设置和通讯设备的简单控制。

2.煤矿安全监控系统选型。太原东山煤矿现主采15#煤层，该煤层属于易燃煤层，有爆炸性，采煤工作面必须安设一氧化碳、温度等多种传感器。该矿选择KJ95N综合安全监控系统，监控分站外接8路模拟量输入，8路开关量输入，8路开关量输出。检测点多，满足15#煤层多种类多传感器的使用。KJ95N综合安全监控系统分站自主性、适应性强，分站、传感器及执行器组成工作单元，可独立工作。当分站与中心站失去联系能存储24小时监测数据，可执行甲烷风电闭锁，以保证通讯中断后正常监测，提高安全矿井安全性。

煤矿安全工作随着信息网络技术的发展，监控设备在煤矿井下的应用越来越广泛，工业以太网技术应用到煤矿监控系统及通信系统中，是未来煤矿发展的趋势，为矿井的安全、数字化通讯奠定了坚实的基础，为煤矿企业安全信息化发展带来巨大的发展。

参考文献：

[1]赵洪刚等.工业以太网控制系统在煤矿井下的应用[J].煤炭技术,2006，(6).

[2]许洪华.现场工业总线与以太网技术[M].北京：北京电子工业出版社,2008.

[3]刘永华.计算机组网技术[M].北京：北京水利水电出版社,2008．