矿用万兆工业以太环网在水泉煤业的应用

 矿用万兆工业以太环网在水泉煤业的应用

谷保健 ,陈国辉

中煤华昱水泉煤业  山西  山阴  036900

    摘要：随着自动化控制系统和无人值守系统网络设备的逐步增加，现有千兆工业以太环网已无法满足智能煤矿建设需求，研究组建万兆工业以太环网系统，对具体技术方案、网络结构等进行了设计。实际应用表明,万兆工业以太环网的建设，解决了高清视频和5G无线传输通道的带宽，确保各自动化子系统稳定的运行，为水泉煤业智能煤矿建设打下坚实基础。

关键词： 智能煤矿、万兆环网、创新研究

一、水泉煤业基本情况

水泉煤业随着智能化煤矿建设的不断完善和监控设备的逐步增加，现有千兆工业以太环网已无法满足智能煤矿建设需求，同时无法满足5G无线传输主干传输承载，水泉煤业需组建万兆工业以太环网系统，将万兆工业以太环网与千兆工业环网进行物理分离，实现双网传输，为水泉煤业智能煤矿建设打下坚实基础。

二、发展趋势

智能煤矿建设的是以网络平台为基础，网络平台运行高效的基于工业以太环网高效、安全、稳定的运行。采用基于工业以太网的集成式全分布控制系统，具有高度的分散性、实时性、可靠性、开放性和互操作性的特点。为满足智能煤矿的建设，万兆工业以太环网的研究应用是智能煤矿发展的趋势，是确保智能煤矿各系统安全运行的基础。

三、万兆工业以太环网设计方案

1、建设目标

针对井下网络面临的新挑战，提出多网融合解决方案来支持井下业务的高速发展。多网融合设计理念包括：

1）多网融合，网络分片保障井下业务统一承载

井下业务统一承载，减少设备数量和运维压力，全网采用网络分片技术，实现关键业务带宽物理资源独占，保障远程控制、视频监控等业务的安全隔离、高质量传输。支持5G业务承载。

2）超宽承载，满足矿井智能化业务的持续演进

井下业务自动化、智能化、无人化，各类智能应用的持续发展，构建井下50GE/100GE骨干环网、10GE接入链路，满足智能矿井未来业务日益增长的带宽需求。

3）灵活接入，满足井下移动作业特殊场景

井下接入无线化，通过部署类5G无线接入，打造井下大带宽、低时延、高并发、无缝漫游的无线网络，接入免布线，满足各类移动接入的诉求。

4）动态互联，保障业务灵活路由和网络弹性扩展

三层到边缘，避免大二层网络广播风暴风险，支撑业务井下互通、就近转发以及流量均衡。网络扩展无需精确规划，随巷道延伸灵活部署。

5）快速定位，保障业务快速恢复

通过随流检测技术，能够基于业务流，呈现业务真实路径，反应流量丢包位置，使故障快速解决，使业务快速恢复，保障井下生产安全。

2、总体架构

按照“一张网”的要求进行网络规划，井下各业务系统通过环网进行统一承载，隔离的业务系统通过不同的切片接入；然后将各种业务统一汇聚到环网设备上。万兆工业环网包含井下和井上两部分，井上采用工业环网双核心节点，井下采用网络成环布置，主要做为5G/控制/视频/监控融合承载的工业环网，采用三层环网方案，合并冗余网络，杜绝广播风暴。

使用网络切片技术，构建专属通道，保障各业务隔离，相互不影响，保证生产控制类业务高质量传输要求。融合承载不同类型业务，可以把其他网络合并，减少冗余网络。

井上采用万兆三层环网，并保留扩展能力，保障网络对智能化业务的支撑和演进。

井下当前采用10GE组环，可演进至50G大带宽，万兆到工作面，以及5G无线覆盖，减少线缆束缚，打造井下大带宽、低时延、高并发、无缝漫游的有线+无线网络，满足井下智能业务的持续演进和扩展。

3、 可靠性设计

网络系统的稳定可靠是应用系统正常运行的关键保证，在网络设计中应选用高可靠性网络设备，合理设计网络架构，制订可靠的网络备份策略，保证网络具有故障自愈的能力，最大限度地支持系统的正常运行。

网络采用环网形式。环形网络拓扑在层次化组网、节省线路资源、提供灵活快速的保护、简化组网拓扑和简化网络管理等方面具有优势。同时，井下IP环网链路和节点故障提供快速的故障恢复能力，实现小于50ms的保护倒换。

故障检测采用BFD/SBFD技术，环网链路和节点故障检测周期为3*10ms。

4、业务切片设计

随着智能矿山的建设，业务越来越丰富，对于网络要求，一是可保障的SLA，二是网络的安全隔离。网络切片技术可以将当前井下新建的5G承载网和众多工业以太网合并为一张网，不同的切片网络分别承载监控、视频、5G、通信等不同业务，并对业务做有效隔离，降低网络投入成本。

5、网络管理功能

网络管理系统采用简化网络运维，从网络自动化，迈向网络自适应，并最终实现网络自治。

iMaster NCE网络管理与控制系统实现了物理网络与意图的有效连接，向下实现全局网络的集中管理、控制和分析，面向全生命周期自动化，以及数据分析驱动的智能闭环；向上提供开放网络API 与IT 快速集成。

NCE位于云化网络的管控层：

NCE向下管理和控制网络，支持管控IP、传送和接入网设备，支持SDN网络和Legacy网络统一管控，支持单域、多域及跨层业务自动化。

NCE还支持对接第三方管控系统，从而实现跨厂商业务编排和自动化。

NCE向上开放能力，支持与OSS、BSS以及业务协同器（Services Orchestrator）集成对接，支持应用层的快速定制开发。

NCE的目标是构筑智简网络，从网络自动化，迈向网络自适应，并最终实现网络自治：

自动化：使能意图驱动网络，实现全生命周期的网络部署和维护自动化。

自适应：通过实时分析器，基于大数据自动生成业务策略，实现主动维护和闭环优化。

自治：通过人工智能和机器学习，构筑智能网络，支持自动生成动态策略，实现网络自治。

四、项目实施关键技术

1、万兆工业以太环网核心交换机采用华为NetEngine 8000 M8，支持高达1.2Tbps的端口容量和8个业务槽位，灵活适配不同业务，支持100GE/50GE/25GE/10GE/GE/E1/POS/cPOS等接口，紧凑型设计能节省宝贵的空间资源，大幅降低Capex。同时支持SRv6/EVPN、FlexE、1588v2高精度时钟等特性。

2、万兆工业以太环网节点交换机采用华为NetEngine 8000 M6，支持高达160G端口容量和6个业务槽位，双主控，可灵活适配不同业务，支持50GE/25GE/10GE/GE/FE/CPOS/E1等接口，紧凑型设计能够节省宝贵的资源，大幅降低了Capex，保护既有投资，宽温设计，可全场景部署。支持SRv6、EVPN、网络分片、1588v2高精度时钟等特性，矿用隔爆兼本安型万兆环网交换机，主要为井下提供万兆数据接入能力，并可作为井下5G系统的承载网络；

五、应用情况

本项目是华昱公司首次在煤矿实施万兆工业以太环网项目，采用了国内先进的核心交换机和节点交换机，万兆以太环网网技术基本承袭了千兆以太网技术，使用方便性、扩展性强、安全性高、网络互操作性及简易性上皆占有极大的优势。万兆工业以太环网的应用，运行效果显著，解决了工业电视系统出现视频画面卡顿和5G无线传输带宽承载，确保各自动化系统的安全稳定运行。同时通过万兆工业以太环网的安装和调试锻炼和培养一批高素质的技术人员，为水泉煤业智能煤矿建设打下坚实的基础。

六、经济、社会效益分析

通过对万兆工业以太环网的研究与应用，确保了工业视频系统、5G无线传输系统、智能化采煤等自动化系统安全稳定运行，减少了因网络延时造成的各类事故，降低了设备维护的工作量及配件的投入，延长设备的使用寿命，提高生产效率。

七、参考文献

[1] 万兆以太网的现状和面临的问题.计算机应用技术,2004-09.

[2] 封铎.万兆以太网技术特点及应用.产业经济,2004-12.

[3] 魏大强;翟丽华.万兆以太网技术发展及应用.计算机应用技术,2010-11.

[4]张慧.工业以太环网在煤矿安全监测监控系统中的应用.建筑设计及理论,2018-12.

[4]袁明朋.工业以太环网在临涣选煤厂PLC控制中的应用.系统科学,2018-10.作者简介：谷保健（1988——），男，河南太康人，工程师，2009年7月毕业于河南科技大学自动化专业，现任中煤集团山西华昱煤业水泉煤业机电副总工程师，长期从事煤矿自动化技术管理工作。