黄腾龙，陈 蓓，李向东

挑水河磷矿智能矿山基础网络通信平台设计研究

黄腾龙，陈 蓓，李向东

(长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

基础网络通信平台是智能矿山最主要的组成部分之一。通过对3种不同网络拓扑结构优缺点的对比，设计选用环型+局部星形网络拓扑方案。根据挑水河磷矿智能矿山数据的不同特点将基础网络通信平台分为工业自动控制信息数据网和六大系统监测监控数据网，并分别对其通信协议标准和设备进行选型匹配，使挑水河磷矿智能矿山基础网络通信平台得到充分应用，并取得了良好的效果。

智能矿山；基础网络；交换机；通信协议

0 引 言

智能采矿的核心内涵是建设包括资源、设计、生产、安全及管理等功能集于一体的矿山综合信息平台[1]。基础网络通信平台是矿山综合信息平台的一个重要基石。然而目前我国智能矿山网络通信平台建设过程中又普遍存在整体规划不到位，系统融合难度大，技术杂乱等问题，因此建设统一标准的基础网络通信平台对建设智能矿山至关重要[2-5]。挑水河磷矿位于湖南宜昌市境内，是集采矿、选矿、充填为一体、年产300万t的大型矿山。矿区范围约25 km2，缓倾斜矿体，坑内采用胶带斜井+斜坡道联合开拓，分区开采，分采分运，集中出矿。挑水河磷矿基础网络通信平台需要覆盖的范围包括地面办公楼控制中心、选矿厂、充填站、西部主井口房、井下20 km主巷道、支巷道和东部副井口房等。基础网络通信平台上传输的数据包括工业自动控制信息数据和六大系统监测监控数据等。

1 网络拓扑结构比较

1.1 网络拓扑结构设计

方案Ⅰ：干线+局部环型网络方案。控制中心、选矿厂、充填站等地面设备采用干线连接，自动化子系统通过地面局部环网交换机传输至各干线节点交换机接入基础网络通信平台进行通信。井下西部主井口房、西部溜破系统、3#配电硐室、东部溜破系统、东部副井口房采用干线连接，井下重要支巷采用局部环网连接，六大系统监测监控数据通过井下局部环网交换机传输至干线节点交换机接入基础网络通信平台。网络拓扑如图1所示。

方案Ⅱ：干线+局部星型网络方案。控制中心、选矿厂、充填站等地面设备采用干线连接，自动化子系统通过地面局部星网交换机传输至各干线节点交换机接入基础网络通信平台进行通信。井下西部主井口房、西部溜破系统、3#配电硐室、东部溜破系统、东部副井口房采用干线连接，井下重要支巷采用局部星网连接，六大系统监测监控数据通过井下局部环网交换机传输至干线节点交换机接入基础网络通信平台。网络拓扑如图2所示。

方案Ⅲ：环型+局部星形网络方案。从控制中心、选矿厂、充填站穿过井下西部主井口房、西部溜破系统、3#配电硐室、东部溜破系统、东部副井口房后经过矿区内地表公路架线返回控制中心，使整个网络行成一个大的环型网络。地面选矿厂控制子系统、充填站控制子系统井下重要支巷从环网交换机往后星型连接。网络拓扑如图3所示。

图1 干线+局部环型网络拓扑图

1.2 方案比较

各方案优缺点见表1。从表1可见：方案Ⅲ网络的可靠性最高，当环型网络一侧断线时，数据可以从断线的另一侧继续传输，不会影响主要节点网络的正常通讯。而在矿山生产实际过程中，经常发生主要巷道、主要节点网络断线的事故，选择方案Ⅰ和方案Ⅱ都存在主干网络瘫痪的风险。选择方案Ⅲ，虽然会增加一定的设备数量和投资，但能够保障网络更为可靠，减少因网络故障带来的其他损失。因此，综合考虑技术、经济等因素，本次设计选择方案Ⅲ，即选择环型+局部星形方案作为挑水河磷矿智能矿山基础网络通信平台的网络拓扑 结构。

图2 干线+局部星型网络拓扑图

图3 环网+局部星型网络拓扑图

表1 方案Ⅰ、方案Ⅱ和方案Ⅲ优缺点对比

2 基础网络通信平台设计

2.1 总体方案

挑水河磷矿智能矿山基础网络通信平台上传输的数据可以分为两大类，一类是工业自动化控制信息数据，一类是六大系统监测监控数据。工业自动控制信息数据特点是对数据的稳定性和传输速率要求都非常高。如井下2500 m胶带运输系统，要求控制信号快速传输，才能及时起停，要求数据长期可靠稳定，才能长时间连续生产。六大系统监测监控数据的特点是可能在同一时刻产生大量的数据。地面、井下有大量的视频信号、音频信号、监测传感器信号可能在同一时刻同时进行传输。若在同一个环网上传输工业自动化控制信息数据和六大系统监测监控数据，存在工业自动控制信息数据传输延时、甚至指令丢失的情况，因此本设计提出的解决方案是利用一条多芯光缆同时建设两个主干环网，一个环网用于传输工业自动控制信息数据，一个环网用于传输六大系统监测监控数据。用一条多芯光缆配备两套不同的环网交换机，组成工业自动控制信息网和六大系统监测监控网，用双环网搭建起挑水河磷矿智能矿山基础网络通信平台。不同数据特点的系统可以从工业自动控制信息网和六大系统监测监控网中选择一个进行数据传输，从而避免网络重复建设和数据冲突。

如图4所示，挑水河磷矿智能矿山基础网络通信平台共设置环节结点9个，光缆从控制中心、充填站、穿过西部主井口房、西部溜破系统、3#配电硐室、东部溜破系统、东部副井口房沿地面公路架线到选矿厂、返回控制中心。

图4 挑水河磷矿智能矿山基础网络通信平台示意图

2.2 工业自动控制信息网

通过工业自动控制信息网进行数据传输的数据包括地面选矿厂全流程控制系统、充填控制系统、井下胶带运输控制系统、智能通风系统、动力管控系统、破碎机远程遥控系统等，这些子系统均要求数据传输必须实时可靠，但又有不同的特点。如选矿厂全流程控制系统是一个分布式的自动化子系统，而破碎机远程遥控系统又是一个单一的实时运动控制要求极高的自动化子系统。常用的TCP/IP标准通信协议无法满足上述各子系统的要求，因此设计选用专用工业控制网络PROFINET标准更为合适。PROFINET是由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International-PI）推出的新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。根据响应时间的不同，PROFINET支持以下3种通信方式可以分别应用于本设计工业自动控制信息网的各个子系 统[6-8]。

（1）TCP/IP标准通信协议。TCP/IP是IT领域关于通信协议方面事实上的标准，其响应时间约在100 ms量级，对于地面选矿厂全流程控制系统该响应时间满足工艺要求。

（2）实时（RT）通信。对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，一般需要5~10 ms的响应时间。本设计中的充填控制系统压力传感器、电动执行阀，需要更快将数据传输，采用实时（RT）通信。

（3）等时同步实时（IRT）通信。IRT常常被应用于现场级别的通信系统中，是实时性要求最高的一种控制方式。本设计中的破碎机远程遥控借鉴运动控制模式（Motion Control）来尽可能提高控制的实时性，保证井下远程破碎机的作业效率。

设计选择支持PROFINET通信协议标准的西门子SCALANCE X系列工业以太网交换机。9个环网节点交换机选用X308-2M网管型交换机，局部星网交换机选X202-2P IRT PRO高防护等级网管型交换机。

X308-2M网管型交换机具有1 个千兆级电气端口、7 个高速以太网端口和2 个千兆级单模超长距玻璃纤维光学端口。SCALANCE X308-2M支持最多50个交换机连接一个最长可以达150 km的工业以太环网。当环网一侧发生堵塞或断线时，可以在0.3 s内重构另一侧的传输路径，保证网络可靠通信。

X202-2P IRT PRO高防护等级网管型交换机可用于配置实时和等时同步实时网络，标准的支网可以同时支持实时数据通讯和标准数据通讯(TCP/ IP)，从而避免了双重基础架构的需要；同时具有高的环境适应能力，IP防护等级为IP67，配置2个电气端口和2个光纤接口。

2.3 六大系统监测监控网

六大系统监测监控网连接的子系统主要包括视频监控系统，人员定位系统，通信系统等。这些子系统共同具有数据量大，传输距离远，节点数量多，分布面积广等特点。环网交换机的选型主要考虑以下的技术指标：

（1）背板带宽。背板带宽是指交换机总的数据交换能力，是交换机数据处理能力的重要指标。

（2）端口参数。包括端口类型、传输速率和数量。端口类型包括RJ-45接口、SC光纤接口。传输速率：交换机端口的数据交换速度。目前常见的有10，100，1000 Mbps等。端口数量：不同传输速度的端口数量。

（3）个性化功能：如是否带有VLAN、端口镜像、组播通信等业务特性。六大系统监测监控网络连接了多个子系统，带有VLAN功能的交换机可以将不同子系统划分VLAN有助于数据的可靠传输。

（4）自愈时间。环网交换机组建环网，一条链路出现故障会启用备用线路，网络会自动恢复，自愈时间指从故障至启用备用线路的时间。

挑水河磷矿视频监控系统配置有500个视频监控摄像头，80个人员定位基站，30个语音通信基站，因此环网交换机端口应同时配备RJ-45接口和SC光纤接口，端口带宽选择1000 Mbps，环网交换机端口数量不少于24个。设计选用MOXA IKS- 6726A作为9个环网交换机，选用MOXA EDS-205A作为局部星网交换机。

MOXA IKS-6726A工业级交换机支持千兆和快速以太网骨干网络、双冗余环网和隔离的两路电源输入，可以提高通信稳定性，节省布线成本。设备带有4个千兆网口和24个快速以太网口。支持用于设备管理和监控的Ethernet/IP和Modbus协议，兼容Ethernet/IP和PROFINET协议，进行透明数据传输。支持Turbo Ring，Turbo Chain（自愈时间＜20 ms @250台交换机）。

MOXA EDS-205A有8个快速以太网口和光纤口，支持IEEE802.3/802.3u/802.3x，10/100M，全/半双工，MDI/MDI-X自适应，对井下恶劣环境有更好的适应性[9-10]。

3 结 论

对比国内其他矿山的基础网络通信平台运行情况，本设计在挑水河磷矿的应用十分成功。如在贵州某大型磷矿，当胶带控制系统信号接入基础网络通信平台时，控制信号延时严重导致胶带控制系统无法运行，只能另外重新建设专用网络专供胶带控制系统使用，造成重复投资；在湖北某铁矿，井下原有摄像头80个，在增加50个摄像头后，导致网络堵塞，图像无法正常上传，在增加了新的网络环网后，又面临新旧网络无法整合的问题，形成许多不必要的麻烦。本设计将实时性可靠性要求极高的工业自动控制网络与数据量大的六大系统监测监控网络一起规划，同时实施，用一根多芯光缆建立了两个完全独立的环型网络，既节省了投资又满足了两个不同特点的网络传输需求。

从应用的效果上，挑水河磷矿井下破碎机远程遥控系统的视频信号延时小于500 ms，控制信号的延时小于10 ms，完全满足实际运行需要；井下胶带运输系统没有设置人工岗位，已实现无人值守自动化、智能化运行；井下智能通风系统，排水自动系统，地面选矿厂控制系统，充填控制系统均已稳定连续运行一年多，可靠性非常好。目前，挑水河磷矿智能矿山建设已经取得了阶段性成果，得到了各界专家领导的一致好评，其中智能矿山基础网络通信平台发挥了重要的作用。

[1] 古德生.智能采矿触摸矿业的未来[J].矿业装备,2014(1):24-26.

[2] 孙继平.现代化矿井通信技术与系统[J].工矿自动化,2013,39(3):1-5.

[3] 苏静明,姚善化.矿井通信网络系统数字化研究[J].科技情报开发与经济,2007,17(1):182-183.

[4] 潘家旭,罗先伟,胡建华,等.铜坑矿安全监控及保障信息系统整合构建与应用[J].现代矿业,2015(12):198-200.

[5] 金 枫,吕 潇,刘 旭.一种适用于大规模矿井的网络通信架构研究[J].有色金属（矿山部分）,2017(69):1-3.

[6] 崔 坚.西门子工业网络通信指南[M].北京:机械工业出版社,2004.

[7] 陈 庆.工业通讯技术在转炉喂丝机控制系统的应用[J].电脑知识与技术,2017(13):52-53.

[8] 杨正升,马艳芳,张增军,等.西门子工业通讯在宣钢高炉自控系统中的应用[C]//第七届中国钢铁年会论文集.

[9] 何青松,鄢天强,张金豪.MOXA工业以太网交换机在贺西煤矿综合自动化系统中的应用[J].煤矿安全,2013(1):107-109.

[10] 马 锋,梁国政,王 妍.基于MOXA以太网架构的数字化变电站[J].电工技术,2010(1):26-28.

(2018-07-13)

黄腾龙(1988—)，男，福建仙游人，硕士，工程师，主要从事充填技术和矿矿山智能化技术研究，Email：467552558@qq.com。