俞 茜，陈 洲

（1.江苏省安全生产宣传教育中心，江苏 南京 210000；2.大屯公司徐庄煤矿信息科，江苏 南京 210000）

1 研究背景

美国著名安全工程师海因里希提出的海因里希法则中写道：重大的事故背后一定会有29件轻度事故，也存在300件潜在隐患，这就是著名的“300∶29∶1法则”。煤矿事故的发生不可简单认定为一个孤立的事件，虽然事故的发生只是在一瞬间，但是事故产生根源是企业安全管理机制的缺失、工作人员安全生产意识淡薄。如何将这些轻微事故、潜在隐患、井下监控数据进行整合传输，分析完善煤矿安全管理机制，补齐井下安全管理短板，成为煤矿企业发展的突出问题。目前以现代科学技术为依托的煤矿工业环网系统在煤矿企业已经得到了广泛应用，但多以千兆或多千兆环网形式建设，基于万兆网络的高带宽传输系统近几年才逐渐成熟，并且在不断完善。煤矿工业环网系统是把矿井环境监控子系统以及各生产环节自动控制子系统通过自动化平台软件和高速工业以太环网融合，连接矿级管理系统和系统防火墙，以实现全矿井的一体化管控。因此如何在控制成本的前提下，建设稳定可靠快速的煤矿工业以太环网值得相关工程技术人员思考。

2 总体技术要求

如何建设稳定可靠快速的煤矿工业以太环网，从技术的角度讲，应该注意以下几个方面。

2.1 注重开放性原则

根据开放性原则要求，所建的系统应该是完全开放的网络平台，并且符合IEC61158等国际公认的网络标准，要具备成熟的API接口，方便第三方对接。

2.2 提供丰富信息传输服务

系统应该提供多样的接入方式，能够方便支持程序上传下载、运维调试、数据采集、日志记录等功能，接入方式无需复杂的二次开发和额外的硬件支撑，同时传输服务不影响整体系统的性能；系统采用分布式架构，某一子系统或主题出现故障后，不会对整体系统有影响。

2.3 支持多种结构模式

数据通讯管理结构为B/S结构，同时也支持B/S、C/S组合控制方式，无需二次开发即可完成报文发送以及数据块传送。

2.4 高速稳定的网络速率

网络速率的高速和稳定是系统建设的基础和保障。技术上要求任意节点之间数据的传输速率大于1 000 Mbps，主干线路网速应达到10 000 Mbps。

2.5 灵活的网络分段

单一网络需提供不小于99个站点的连接支撑能力并可以根据项目实际情况，支持灵活的网络分段、隔离桥接等技术方案。

2.6 支持多种传输介质

需要支持光纤连接和双绞线，并可以根据项目情况提供灵活的选择电缆形式。

2.7 支撑多拓扑结构和远距离传输

可以根据项目的具体情况，支持环形、星形、总线型等多种拓扑结构，最大传输距离需要大于15 km，通过中继方式可扩大传输距离，最大传输距离需大于30 km。

2.8 强大的网络管理能力

可以进行自动网络诊断和业务管理，定期自动生成拓扑图，反映监控状态；可以手动新增节点接入网络，通过导入配置文件，保留原先配置；自动完成识别及推荐配置信息。

2.9 最优化冗余配置

系统建设时采用光纤环网方式来实现以太网的连接，这种方式的优势是骨干网上任何一点连接出现故障或者意外断开，系统都可以通过后备的以太网链路，保障整体系统的稳定性和可靠性。在项目前期设计时，要考虑物理和逻辑上的网络信道冗余，确保整体项目的健壮性。

2.10 自动化节点划分网络和结构调整

系统可以自动按节点数量、区域等策略条件最优划分自动化控制网。井下骨干万兆环网接入器需要配备4个以上光纤端口，端口类型为全双工万兆，用于连接完整的光纤环路，井下骨干千兆环网接入器宜具备3个及以上全双工千兆光纤端口。其中一条线路发生故障或者中断的情况时，系统通过自动化节点划分网络和结构调整使整个网络自动修复，在50 ms以内修复完成。

3 设备选型与布置注意事项

关于选型与布置，不管建设任何系统和工程，一个科学合理的设备选型，都是建设成功与否的关键，下面就组成网络的主要设备，提出一些建议。

3.1 核心交换机

推荐选用知名品牌、性能稳定、可靠、模块化的多层路由或万兆网络交换机。需要有三层交换功能，可以对网络分层进行策略控制。核心交换机设备配置要求如表1所示。

3.2 矿用防爆型交换机

矿用防爆型交换机以井下千兆节点交换机为例，应井下防爆要求，设备具有二层交换功能，便于接入子系统的安全策略布署。矿用防爆型交换机设备配置要求如表2所示。

表1 核心交换机设备配置要求

表2 矿用防爆型交换机设备配置要求

3.3 防火墙

用于隔断管理网络和控制网络，保证控制网络不受非法数据的攻击，通过互访规则，限制两个网络之间数据的访问。划定非军事区，供控制网向外发布信息。

并发连接数为3.6×106，网络吞吐量Gbps为20，4个万兆光口SFP模块（含4个10 km单模万兆光模块），4个千兆光口SFP模块（含4个10 km单模千兆光模块），4个千兆电口，进出口为万兆光口SFP模块。入侵检测：Dοs、DdοS。主要支持用户认证、内容过滤、系统监控、网络管理、前台WEB操作、整体带宽策略控制等功能。

关于设备位置选择，提出如下原则及优点：①宜选择在变电所，如采区变电所、皮带变电所等，因为矿用防爆型交换机虽然有备用电源，但直供电源的选取尤为重要，应以稳定为主，变电所无疑是最好的选择；②井下接入设备超过3台级以上的位置，宜布置矿用防爆型交换机，因为这样设置会减少光缆的铺设数量，减少线路维护工作量；③重点场所与重要节点宜布置或多布置矿用防爆型交换机，比如某矿井为南北两翼开采，那么井口的位置就宜设置两台（南翼、北翼各部署一台），有助于提升整体网络的安全性和抗灾能力。

4 应用管理

在实际应用过程中，维护管理尤为重要，如果后期维护不及时不到位，将会纰漏百出，难以发挥高带宽网络传输的优势，甚至影响矿井的安全生产。

维护管理从以下几个方面着手：①应选用网管型设备，不建议选择非网管型或者非工业以太网交换机，如果是实在受制于设备投入，可以选择国产品牌；②不应将设备放置在接近水源或者潮湿的地方，电源接头以及其他设备连接件需要连接牢固，并经常检查线路的牢固性；③为了使故障处理工作有章可循，便于及时处理，建议按照以下原则来分析。由软到硬原则，即发生故障或未知的网络中断，应先从系统配置或系统软件上着手进行排查。如端口发生故障时，可以先检查用户VLAN表，看看用户端口是否在表中，然后查询该端口的权限，有没有被其他系统管理员禁用，如前两项还未解决问题，可以检查具体的策略配置，如果排除以上系统和策略上的因素，那可以检查具体的硬件是否存在问题；由外而内原则，即工业以太网交换机发生设备故障时，管理人员可以先从指示灯的提示上辨别，根据说明书中的相关故障指示操作，然后可以检查机器内部的部件是否存在故障。不管是否内外故障，都需要登录交换机来确定具体的问题，然后才能够采取相应的措施修复问题。

5 结束语

高带宽工业以太环网技术的使用将为新形势下控制系统的高速发展提供可靠的技术保障，它无需客户解决研究软件升级问题，从而大大减少了人力物力，这是现阶段其他现场总线技术所无法比拟的。机器人技术、智能制造、应急救灾的发展都需要拥有更快更稳定的通信网络，随着新技术的不断发展，矿井“信息高速公路”的建设，毋庸置疑将使矿井变得更加智能。