工业以太网在煤矿综合自动化系统中的应用

袁鹏伟

（河南能源化工集团永煤公司车集煤矿，河南 永城 476600）

1 煤矿自动化、信息化系统骨干—工业以太网

随着自动化、信息化技术的发展，煤矿井下各类联网设备逐渐增多，如监测监控系统、人员定位系统、无线通信系统、IP网络广播、视频监控等信息化系统以及电力监控、皮带集控、泵房自动化、主通风机在线监测、压风机自动控制、主提升机监控等生产过程自动控制系统在煤矿中得到了广泛的推广应用。因此建立一套统一的网络平台，实现各系统数据的传输和共享，避免重复投资和浪费，同时保证高可靠性显得尤为重要，工业以太网系统使用的是透明而统一的TCP/IP协议，可与各类设备以太网接口兼容，带宽可达到1 000M以上且软硬件成本低廉，硬件设备可靠性高，能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络，成了煤矿企业综合自动化建设的首选网络平台。本文以西门子SCALANCE工业以太网为例，阐述了工业以太网在煤矿行业的典型应用［1-2］。

2 煤矿网络平台规划

西门子SCALANCE交换机支持HSR和MRP两种环网冗余方式，可以通过HSR及MRP冗余协议方便地实现环形拓扑，实现网络的高可靠性，避免单点线路故障造成的网络瘫痪。同时还支持基于Standby技术的环间冗余，实现环与环之间的冗余连接。因此，煤矿可根据地面工业广场及井下采区分布，设置不同的冗余子环，通过冗余链路连接至中心机房主干环网中。图1为某一煤矿典型的环网配置。

井筒上下共分为调度中心机房千兆环网、地面工业广场千兆环网、井下南翼采区千兆环网、井下北翼采区千兆环网4个子环，各个子环内交换机之间采用HSR（High Speed Redundancy Ring）协议搭建冗余环网，地面调度中心环网为主干环网，负责调度中心各自动化系统服务器的接入，其他3个子环通过Standby方式连接到调度中心环网，实现环间冗余连接。通过下图可见，井上下所有交换机均可通过两条链路与其他交换机连接，整个网络内出现任意一点线路中断或单个交换机故障，网络内其他地点交换机仍可正常使用，从而实现了整个网络的高可靠性。

3 子系统业务VLAN划分

VLAN即虚拟局域网（Virtual Local Area Network），是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个VLAN从而实现虚拟工作组的技术。VLAN是为解决以太网的广播问题和安全性而提出的，它在以太网帧的基础上增加了VLAN Tag，用VLAN ID把用户设备划分为不同的虚拟工作组，限制不同工作组间的用户二层互访，每个工作组就是一个虚拟局域网，可以限制广播范围，并能够形成虚拟工作组，动态管理网络。

煤矿井下设备分布极为分散，同一系统的设备往往分散在矿井各个采区及工作面，因此根据各系统实际情况，将各系统内的设备划分不同的业务VLAN，极大降低网络负载、控制网络流量、简化网络管理、提高网络的安全性，同时降低整体网络投资。西门子工业以太网交换机支持基于端口的优先级，可根据设备的重要性保证重要数据优先传输，通过基于端口的QoS（服务质量）控制，可根据交换机端口设置多达8个优先级，当网络中图像、声音、控制数据等大量种类不同的数据同时通过工业以太网传输时，保障重要数据优先被传输，极大地降低网络延迟，有效地控制和监视现场设备［3］。

根据煤矿综合自动化系统典型应用，可将各VLAN划分如表1所示：

4 交换机路由配置

根据各系统应用将网络划分为若干个VLAN，可大大降低网络负担，提高网络安全性，但VLAN限制了各系统间的数据访问，SCALANCE X414-3E交换机支持三层交换技术，可通过配置路由来实现各个网络间的访问。如图1所示，交换机S1和S2作为整个网络的核心路由，通过VRRP组成虚拟路由器，实现各业务VLAN间的数据访问。路由配置如表2所示：

5 虚拟路由冗余VRRP

VRRP（虚拟路由冗余协议）是一种容错协议，它保证主机的下一路由器故障时，可及时地有另一台路由器来代替，从而保证通讯的连续性和可靠性。如图1所示，使用VRRP将S1和S2组成虚拟路由器组，正常情况下S1的路由协议处于工作状态，S2处于备用状态，S1故障时，S2接管路由协议，保证网络正常工作。S1和S2分别有一个虚拟路由地址一个虚拟MAC地址，网络上的主机与虚拟路由器进行通信，而无须知道网络中物理路由器的任何信息。当主路由器S1工作时，会每隔一段时间发送一个VRRP组播报文，通知组内的备份路由器主路由器处于正常工作状态，当组内的备份路由器S2长时间没有收到来自主路由器的报文，则将自己转为主路由器。

表1 煤矿工业以太网网络划分

表2 网络路由配置

6 基于HSR的环网配置

如图1所示，根据煤矿综合自动化各系统业务划分及设备将整个网络划分为4个子环，每个子环间交换机组成环形拓扑，各台交换机通过冗余环口进行连接。其中1台交换机作为RM（冗余管理器），在网络正常的情况下，RM的一个冗余环口会处于逻辑断开状态，这样整个网络处于线性结构，RM负责监控环网状态，当网络上有物理线路断开或交换机故障，RM管理器会监测到网络异常，同时通过一个替代路径恢复另外一种线性结构。SCALANCE交换机支持基于HSR的环网协议，在单个环网内交换机小于50台的全负荷状态下，网络重构时间小于300ms，故障排除后，可恢复原先的环形结构，保证网络不受影响。

7 基于Standby技术的环间热备

SCALANCE交换机支持Standby冗余技术，可实现环间的网络冗余连接。通过2台交换机各自连接到另一个环网，如图1所示，S3和S4同时与其他3个子环连接，正常状态下，S3和S4通过网络交换数据来同步自身的运行状态，其中S3作为MASTER,S4作为SLAVE,在网络正常情况下，仅有S3（MASTER）与另外环网间的连接处于激活状态，环网之间通过该激活的连接完成数据通讯，当与MASTER的连接断开时，SLAVE会自动将连接激活,这时两个环网间的数据通讯就通过S4（SLAVE）的连接来完成。如果S3恢复正常，自动激活S3与环网之间的连接，S4进入备用状态。

8 基于SNMP的网络监控与管理

SNMP（Simple Network Management Protoco）是基于UDP的一种协议，专门用于网络管理。SNMP保证管理信息在任意两点间传送，便于网络管理员在网络上的任何节点检索信息，进行修改和寻找故障，完成故障诊断。SCALANCE工业以太网交换机支持SNMPV1/V2/V3，可以与WinCC等其他组态软件兼容，在监控系统中显示整个网络运行状态，通过SNMP OPC的方式来管理和诊断，实时显示工业以太网交换机工作状态。

9 结语

随着自动化、信息化技术的发展，多数煤矿已安装或即将建设多种自动化系统。这些监测监控系统大多是在不同阶段建设，处于相互独立的状态。因此，为了从系统工程的角度对矿山进行统一的自动化管理，防止“信息孤岛”现象，有效整合各种资源，发挥自动化集成的最大效益，工业以太网的高可靠性和兼容性成为了最佳选择，并将在煤矿综合自动化建设中发挥更大作用。

［1］谢希仁.计算机网络［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［2］曹茂虹，徐钊，杨芬，等.基于工业以太网的煤矿综合自动化系统［J］.煤矿机电,2007（2）：45-47.

［3］钱建生，赵培培，李鹏，等.工业以太网技术在煤矿中的应用［J］.煤炭科学技术，2005（7）：14-16.