杜儿坪矿工业以太环网建设方案设计

王 强

杜儿坪矿工业以太环网建设方案设计

王 强

(西山煤电集团公司杜儿坪矿，山西 太原 030022)

介绍了杜儿坪矿千兆工业以太环网设计方案，并根据矿地下煤炭资源探察分布情况、井下巷道结构设计情况、采掘面分布设计方案等因素，以及该矿未来发展的网络需求，设计建设杜儿坪矿工业以太环网。全矿共建成了3个工业以太环网：地面1个环网，井下2个环网。论述了环网中心机房建设方案，VLAN划分方案，管理软件的选用方案，以及方案可实现的目标。

工业以太环网;VLAN;交换机;方案

1 杜儿坪矿现状

杜儿坪矿井田面积63.1 km2，1956年建矿，隶属山西焦煤西山煤电集团公司。井下巷道分为2个水平，现生产工作面全部在1010水平巷道内，属斜井矿，现生产核定能力500万t/年，井下1010水平有1条主巷和3条大巷，每条大巷有1个采煤区;由于矿井开采时间长，井下巷道延伸长;地面各生产单位分布比较散，距离矿办公场所较远。1010水平井下巷道分布示意图见图1。

2.学生互训与教师验收相结合在课余训练的组织和指导学生的专职教师指导下，对基本技能相关的项目进行分组，一组作为一个单元，自律训练，自我管理，相互学习，共同提高。

图1 1010水平巷道分布示意图

随着矿井监测技术的不断发展，越来越多的监测系统安装于井下和地面生产场所，对矿井的安全生产起着重要的作用。各系统大量的信息需要传输到矿各个调度部门，必需建设一个高可靠性、高带宽、高速率，实现数据、语音和视频同网传输，即“三网合一”，覆盖全矿井的传输平台。根据实际应用需求和今后维护升级的工作需要，设计了以赫斯曼环网交换机构成的千兆工业以太环网。

2 矿工业以太环网线路方案

煤矿井下环境恶劣，光缆的抗干扰性好于电缆，工业以太环网主干传输介质全部用光缆。而环网冗余是通过建立一个环状的拓扑结构来实现网络冗余，保证在网络单点故障时，通信依然正常。

由于井下特殊环境条件的限制，要真正实现环网的拓扑结构非常困难。要覆盖井下所有大巷，通过一个环网把所有接入点的交换机连接，光缆的路径在多条巷道中重复出现，进出巷道的光缆全部位于同一巷道中，当巷道某处出事时会造成环网出现2个断点，使部分设备的数据不能上传到地面调度中心，降低了环网的冗余性。为确保环网的冗余性，环网中所有交换机连接的光缆实现一个巷道进，从另一巷道出，避免进出巷道的光缆全部位于同一巷道中的情况。井下设计成2个环网，这样还可以将整个井下的信息量分配到了2个独立的环网中上传至地面中心，有效降低每个环网中的带宽占用率控制。

由于矿井地面各重要生产场所分布较广，甚至还有分布在偏远山上的工作面，并且地面生产单位性质和井下的不同，还有地面数据、视频、语音系统的实时流量和峰值情况。因此，决定地面工业场所单独设计成一个环网。全矿井环网拓扑示意图见图2。

图2 杜儿坪矿环网拓扑示意图

本次杜儿坪矿千兆工业以太环网共建设成3个环网，分别为地面工业场所千兆环网、南大巷至北一大巷千兆环网、北大巷至北二大巷千兆环网。

各工业场所节点交换机主要是连接场所附近的生产控制系统，以达到控制和采集各系统设备数据的目的，各系统通过RJ45口或RS485口接入环网节点交换机。

井下环网1的路径：光缆由地面中心机房通过主井口下井，经南大巷、联络巷、北一大巷，由副井口上至地面中心机房。

井下环网2的路径：光缆由地面中心机房通过主井口下井，经中央变电所、北二大巷、暗斜井，由暗斜井到上水平巷道，通过西平峒至地面中心机房。

整个环网共划分8个VLAN，所有环网交换机的管理IP和交换机上各模块IP划1个VLAN，各系统服务器IP划1个VLAN，地面的视频、语音、数据分别划分成3个VLAN，井下的视频、语音、数据分别划分成3个VLAN，除服务器 VLAN可以访问各VLAN外，其余各VLAN之间彼此不能访问，不能与办公信息网进行通讯。

地面环网的路径：由地面中心机房到选矸车间、煤运公司、排矸公司、污水处理厂、新华变电所、北石沟变电所、主运输皮带至地面中心机房，中部变电所和南峪二号井由于地域分散不能入环网，以星型拓扑分别接地面中心机房。

备用路径：为了保证光链路的冗余性，地面环网和井下环网的光缆互为备用，地面环网所有光缆在北石沟成端，经北石沟通向井下北区变电所的电缆井架设48芯矿用阻燃光缆，在井下北区变电所成端，实现地面与井下光缆的连通。北一大巷和南大巷经联络巷的光缆也在此处成端，井下架设36芯矿用阻燃光缆，单个环用两芯光纤，另外留两芯备用。地面环网可通过北区变电所跳接井下环网光缆连接到地面中心机房，井下南大巷和北一大巷的环网可通过北区变电所跳接到地面环网光缆，实现光链路的不同路径冗余，同时也可以作为今后由单环网向双环网升级的另一链路，这样保证备用光缆路径与使用光缆路径的不同，提高了线路的冗余度。

3 地面中心机房设计方案

3.1 设计要求

1)地面中心机房是整个环网的控制核心，所有的服务器和系统的数据都将在此汇聚，传向不同的系统，核心设备配两台，互为备份;千兆光纤工业以太环网，冗余自恢复时间小于50 ms。

2)生产信息要通过地面中心机房与管理信息系统相接，实现环网与办公信息网的连通;由于环网内的各系统关系到井下的安全生产，安全级别比办公信息网的系统要求高，必须保证环网的安全运行和正常的数据传输。

3)保证优先级高的系统数据优先传输;环网内的系统要实现远控功能，数据信号传输要优先于视频和语音信号的传输。

VLAN(虚拟局域网)是对连接到的第二层交换机端口的网络用户的逻辑分段，不受网络用户的物理位置限制，而根据用户需求进行网络分段。一个VLAN可以在一个交换机或者跨交换机实现。VLAN可以根据网络用户的位置、作用或者根据网络用户所使用的应用程序和协议来进行分组。基于交换机的虚拟局域网能够为局域网解决冲突域、广播域、带宽问题。

5)不同类型的数据之间要实现隔离;地面和井下的生产信息不同，也要实现隔离。运用VLAN技术将不同的类型的数据进行分隔，将地面和井下信息进行分隔。

4)“三网合一”网内数据量大，核心设备数据处理能力要高;同时对于不断增长的数据量，核心交换机的数据处理能力要能满足该矿的长时间需要。

3.2 中心机房方案

1)核心设备方案。

家长吐槽科学作业“逆天”，其实在笔者看来是“不走心”，即这作业留得尤其不科学。12页关于树叶的“调查报告”，或许安排一年才恰当。“不同时期”的树叶，显然要按季节来观察记录才适合。与其观察多类树种的树叶，显然不如关注一两类树种或当地主要树种的树叶更符合小学生认知特点，更有效果。

因此，郑州市必须优化城市发展规划，提供完善的城市创新基础设施，对标国际一流创新型城市各项指标，着力解决短板问题，与国内外知名研发机构建立产学研用创新平台，依托平台培养人才、联合创新和布局“郑州智造”产业，加快郑州高新技术产业的价值链攀升。

1)故障管理是网络管理的最基本功能，当环网运行出现异常时的管理操作。一旦环网运行出现故障，可以根据网管软件的信息确定其原因和位置，然后采取措施进行修复，保障网络正常运行。环网故障管理包括故障检测、修复和隔离等内容。对网络故障的检测依赖于对网络设备的状态监测。要求网管软件可采集环网中所有交换机设备的状态信息，并且可以及时地发现问题，并通过诊断测试来辨别故障原因。

每台核心交换机配1块16个10/100/1000 Mbit/s自适应电口模块，用于和各系统的服务器相连;配1块8个千兆光电复用端口的模块，再配5个千兆单模光纤模块，用于3个环网相联，还有中部变电所和南峪二号井的相联;配M4－S－AC/DC内置电源模块，并配电源机箱及1台M4－P－AC/DC 300 W外置电源模块，实现MACH4002交换机的电源冗余，一路接交流电，另一路接UPS电源。

2)安全设备方案。

（3）砂岩上倾尖灭岩性圈闭主要受控于沉积相和构造位置；物性封闭岩性圈闭是主要受到储层物性条件变化的影响；受断层影响的砂岩透镜体圈闭主要受到断层断距的影响。

以大数据技术的应用为基础，要构建工作平台，该平台涉及基础设施、大数据等内容，加大对各种大数据的管理力度，同时依据工作需要对大数据进行有效的处理和管理等等，在管理中注重将管理与服务紧密结合起来，提升服务的品质，使得城市在交通、物流等方面的管理得到有效的提升，进行城市各个行业的智慧综合利用。

安全隔离网闸，又名“网闸”、“物理隔离网闸”，用以实现不同安全级别网络之间的安全隔离，并提供适度可控的数据交换的软硬件系统。安全数据交换单元不同时与内外网处理单元连接，为2+1的主机架构。隔离网闸采用SU－Gap安全隔离技术，创建一个内、外网物理断开的环境。

如果说王观澄等中国传统文人士大夫缔造的“古典桃源盛世”被一场欲望的大火所吞噬，那么由大执念而促成的千秋家国梦在集体无意识的支配下，随着历史车轮的滚滚向前进入到了20世纪五六十年代社会主义建设时期，遥远的无边大梦此时已经在一种叫作共产主义的国家构想中得以实现。如果说格非在《人面桃花》中描述的是一个孩童还尚未进入梦乡就已被杂乱的社会纷扰所激醒，那么《山河入梦》就像是一个成人在经历了一朵开花的梦之后，承受着梦醒后的悲怆与荒凉。

为保证环网内各生产系统的运行安全，同时各生产系统的数据可以直接传送至办公信息网中相应系统中，选用2台联想网御SIS－3000－FE24安全网闸设备，互为备份，确保环网的安全和正常的信息传输。通过VRRP协议实现与办公信息网互连，只有环网内服务器VLAN可以传输数据至办公信息网。

3)VLAN划分方案。

在会议桌前，在聆听和询问之间，总会有几次恍惚的刹那，在那个时候好像那海浪的声音、海水的颜色、海风的触摸仍然环绕着我，仍然温柔地跟随着我，使我情不自禁地微笑了起来。

矿井整个工业以太环网采用基于端口方式划分VLAN，视频系统的接入被划分到了每台节点交换机的最后2个端口上，并且规定了小数据包优先传输，保证其它生产安全监测系统的数据采集和控制命令的传输。

4 节点方案

如图1所示，两个环网的光缆路径设计如下：

地面环网每个节点交换机选用赫斯曼MS4128－L2P卡轨式2层交换机，配1块4端口光电复用的千兆模块，根据现场需要再配不同数量的千兆单模光纤模块，用于和其他MS4128交换机相联或与MACH 4002交换机相联，配2块有4个10 M/100 M自适应RJ45电口的模块，另配一块有4个RS485口转RJ45电口的模块，实现 RS485设备的接入;配 2个RPS80EEC电源模块，实现MS4128－L2P交换机的电源冗余，一电源模块接交流电源，另一电源模块接UPS不间断电源，在交流电断电时，保证环网正常运行4 h。

井下环网每个节点安装KJJ58型矿用环网接入器，KJJ58是防爆型式为矿用隔爆兼本质安全型，符合井下使用条件。KJJ58内装赫斯曼MS4128－L2P交换机，交换机所配模块与地面环网交换机所配设备一致;KJJ58供电电压为AC 127/220/380/660 V，内配有电压转换电路，可以从AC 127/220/380/660 V转换成直流;还配有2块12 V铅酸充电电池，还能交流供电与电池供电切换电路，可在井下交流停电时自动切换至电池供电，支持断电时间为2 h以上;并有电池保护功能，防止电池因过度放电，而不能进行充电。

其中主要使用的定理为，已知集合U={u1,u2,…,un}，V={u1,u2,…,um},能够发现其中对于确定的模糊影射f：U→F(V)，u1→f(u1)=r=(ri1,ri2…rin)其中r∈F(V),m=1,2,···,n,能够发现，其中惟一确定模糊关系矩阵为

5 网络管理软件

3)性能管理主要是通过收集和统计环网运行数据，对环网资源的运行状况和通信效率等进行评价。要求网管软件可以综合分析环网中各种因素影响的结果，并得出环网性能的相关数据，依据相关数据可对环网进行网络配置调整。

环网核心交换机选用2台赫斯曼MACH 4002 24－L3P3层(工作在网络层)交换机，支持VRRP协议，用于实现路由冗余;采用双机热备方式，实现核心交换机的冗余。

“一站式”司法确认机制，是在完善矛盾纠纷多元化解机制过程中的一种创新，对于快速便捷地解决纠纷、提升人民调解组织的矛盾纠纷化解能力、推动社会治理结构优化和社会治理能力的提升，具有重要的现实意义。该机制的运行与推广，既需要各级党委、政府、相关部门和组织的共同努力，也需要在法律制度上予以保障。

2)配置管理就是设定、收集、监测和管理网络设备配置数据，使得网络性能达到最优。配置管理的数据包括环网设备的容量和属性，以及它们之间的关系。要求网管软件可以设置系统参数、初始化和关闭系统资源;随着环网中系统接入的变化，可动态修改相关配置。

环网建成后，对整个环网的管理包括故障管理、配置管理、性能管理和安全管理。

4)环网安全管理的主要内容包括授权管理、访问控制管理、审计检查跟踪和事件处理、加密管理等。

赫斯曼HiVision PC Based Enterprise网管软件可以配置MACH 4002交换机系列模块及组件的软件;赫斯曼HiVision PC Based Industrial Line网管软件可配置管理MICE 4128－L2P系列交换。以上2款软件只实现了环网管理的配置功能，而其余3项的管理功能不能实现，不能对全环网进行全面管理。

赫斯曼Industrial HiVision －Op.Ed，250 Nodes图形化网管软件支持拓扑识别，可自动生成环网拓扑图;有设备状态，链路和连接状态(线缆中断，可用)，电源和风扇状态的实时监测，有故障报警和事件日志等功能;还有各交换机性能管理功能，可以实时反应每台交换机的资源使用情况;还有安全管理功能，可实现访问控制管理等功能。

通过上述一系列实验，发现煤样微观结构随时间增加逐渐呈劣化趋势，可初步预判煤样力学强度随时间增加逐渐减弱，因此，下面将通过单轴压缩实验验证煤样力学强度的劣化规律。

配KJJ58电池电量监测软件，实时监测每台KJJ58环网接入器内电池的电量和放电情况。

形心算法实现的稳定性与精度主要取决于阈值分割的情况[11]。使用最大类间方差算法找到合适的阈值且图像背景单一，因此，形心算法可以快速高效地计算出形心坐标。

6 方案实现目标

1)建成数字化、高速化、智能化、标准化的千兆工业以太环网。

2)建成覆盖杜儿坪矿井地面工业场区，井下南大巷、北一、北二大巷、中央变电所区域总共3个千兆工业环网。

3)系统建成后将实现资源共享、信息互通，提高矿井的自动化水平，发挥综合监控和调度协调作用。

根据2007年修订的《土的分类标准》[16](GB/T 50145—2007)，将峰值粒径进行粒组划分，得到表2。

4)优化网络结构，提高网络性能，提高企业综合信息基础设施水平，实现数据、语音、视频同网传输。

5)网络易维护，可以在地面中心机房实时掌握每台交换机第个端口的情况，可以通过管理工作站实现地面中心机房对各交换机的配置和维护。

6)升级方便，可以投入很少的资金对环网进行升级，在不改变环网结构和环网的正常使用的情况下便可以实施升级。

随着信息技术的不断发展，会有越来越多的系统应用到煤矿的安全生产过程中，这对环网要求越来越高，该方案充分考虑了杜儿坪矿今后长时期内的应用需求，制定了一个具有先进性、可行性的方案。环网建成后将为杜儿坪矿的井下地面信息系统提供高速、高带宽信息高速公路。

［1］ 赫斯曼公司.工业以太网［M］.上海：海得公司出版，2009：173－189.

［2］ 沈鑫剡.计算机网络技术及应用［M］.北京：清华大学出版社，2007：255－274.

Design on Construction Scheme of Industry Ethernet Ring Network in Du＇erping Coal Mine

Wang Qiang

Introduces the design scheme of gigabit industrial Ethernet ring network in Du＇erping coal mine，and according to the distribution of underground coal resource，the structural design of the underground tunnel，distribution of working face，as well as the network requirement for the mine future development，design and construct the industrial Ethernet ring network in Du＇erping coal mine.There are three industrial Ethernet in the mine：one ground ring network and two underground ring network.Discusses the construction programme of Ethernet computer center room，VLAN partition scheme，selection of management software and the goal that the programmes can achieve.

Industrial Ethernet ring network;VLAN;Switch;Design scheme

TD672

A

1672－0652(2012)04－0004－04

2012－02－29

王 强(1977—)，男，山西沁源人，2003年毕业于太原理工大学，软件设计师，主要从事煤矿信息化工作(E －mail)dkzxqi@163.com