千兆以太網(wǎng)在綜采工作面應(yīng)用的關(guān)鍵問題研究

高思偉

【摘 要】為解決千兆以太網(wǎng)在綜采工作面應(yīng)用的問題，本文從礦用千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和礦用千兆網(wǎng)絡(luò)通信電纜兩個(gè)關(guān)鍵問題入手：提出了礦用千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，并對(duì)交換機(jī)吞吐量、延時(shí)、丟包率等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證；提出了礦用千兆網(wǎng)絡(luò)通信電纜設(shè)計(jì)方案，并對(duì)線芯及成品電纜的性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。所設(shè)計(jì)的千兆網(wǎng)交換機(jī)及通信電纜能夠滿足工作面的應(yīng)用需求，對(duì)將千兆以太網(wǎng)應(yīng)用到煤礦綜采工作面有具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】千兆以太網(wǎng)；綜采工作面；交換機(jī)；通信電纜

在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需要聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備逐漸增多。煤礦經(jīng)過多年的發(fā)展，其綜合自動(dòng)化程度也已經(jīng)有了非常大的提高。在我國現(xiàn)代化的煤礦井下，千兆乃至萬兆以太網(wǎng)作為通信的主干網(wǎng)絡(luò)早已成熟應(yīng)用，一條通信光纜將遍布在井下各處的需要聯(lián)網(wǎng)的子系統(tǒng)連接在一起，包括監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)以及電力監(jiān)測(cè)、主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)等生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)，最終所有的信息匯聚到地面調(diào)度中心。通過以太網(wǎng)技術(shù)，有效的整合了各個(gè)子系統(tǒng)資源，發(fā)揮自動(dòng)化集成的最大效益，在煤礦綜合自動(dòng)化建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用[1-4]。

在環(huán)境相對(duì)的復(fù)雜和惡劣的綜采工作面，從2013年開始將百兆以太網(wǎng)技術(shù)作為綜采自動(dòng)化系統(tǒng)中通信主干網(wǎng)，用來傳輸綜采工作面相關(guān)的數(shù)據(jù)、視頻等信息，對(duì)于提升綜采系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，提升安全性能起到了重要作用[5]。

但是隨著工作面視頻攝像儀等以太網(wǎng)通信設(shè)備越來越多，特別像紅外熱成像儀這類占用大通信帶寬的設(shè)備，百兆以太網(wǎng)已經(jīng)漸漸難以滿足綜采自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用需求，在綜采工作面布置千兆以太網(wǎng)已經(jīng)迫在眉睫。本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，分析了千兆以太網(wǎng)在綜采工作面應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵問題并提出解決方案，包括礦用千兆以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)計(jì)與測(cè)試，礦用千兆網(wǎng)絡(luò)通信電纜設(shè)計(jì)與測(cè)試等。

一、礦用千兆以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)計(jì)與測(cè)試

綜采工作面根據(jù)煤層的厚度一般分為薄煤層、中厚煤層和厚煤層，中厚煤層和厚煤層的工作面通常有足夠的空間安放各類設(shè)備，但是在薄煤層的工作面，高度方向上最低不足1米，對(duì)所有設(shè)備的體積都有嚴(yán)格的要求。隔爆類的設(shè)備由于隔爆面的要求體積通常都比較龐大，所以本文的礦用千兆以太網(wǎng)交換機(jī)優(yōu)先選擇設(shè)計(jì)為本安類設(shè)備。

（一）硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要有3部分組成：電源部分、交換部分和控制部分。硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

本安產(chǎn)品最重要的設(shè)計(jì)就在于電源設(shè)計(jì)，本文根據(jù)交換機(jī)芯片的功耗情況，選擇LMZ14203作為整個(gè)電路的電源芯片，其具有輸入電容小，輸出電流大，電源紋波小等特點(diǎn)，最大可以提供3A的輸出電流。在電源原理圖設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)GB 3836.4的要求，在電源入口處增加防反二極管，過壓保護(hù)等，在電源輸出端增加齊納二極管保護(hù)。

交換部分選用Marvell公司生產(chǎn)的88E6095作為主芯片，外接25MHz晶振，該芯片P0～P7端口全部集成PHY，支持10/100BASE-TX，P8～P10接口支持SGMII協(xié)議，可外接千兆PHY芯片88E1111。本文中根據(jù)工作面的實(shí)際需要，將其設(shè)計(jì)為2個(gè)千兆電口+4個(gè)百兆電口+1個(gè)MII接口的模式。其中兩個(gè)千兆電口用于交換機(jī)之間的互聯(lián)互通，4個(gè)百兆電口用于接入工作面的視頻攝像儀等以太網(wǎng)設(shè)備，1個(gè)MII接口用于同控制芯片LPC1830通信。

控制部分選用LPC1830作為主芯片，LPC1830通過MII接口與88E6095交換芯片連接，完成對(duì)交換機(jī)功能的管理，并提供如VLAN、生成樹、SNMP等協(xié)議的支持。LPC1830外接12MHz晶振，并通過SPIFI串行接口擴(kuò)展Flash，用來存儲(chǔ)程序文件、數(shù)據(jù)等，通過并行總線接口外擴(kuò)SRAM，增大程序運(yùn)行空間；通過I2C總線外擴(kuò)EEPROM，提供交換機(jī)的一些特定代碼以及各種配置信息和參數(shù)的存儲(chǔ)空間。

（二）軟件設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)的角度，交換機(jī)的軟件可以分為系統(tǒng)軟件、驅(qū)動(dòng)軟件與應(yīng)用軟件。本文采用uC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，任務(wù)管理，時(shí)間管理，內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等功能。驅(qū)動(dòng)軟件部分主要包括LCP1830所用到的SPIFI，I2C，Ethernet等硬件接口驅(qū)動(dòng)。應(yīng)用軟件部分根據(jù)交換機(jī)在綜采工作面應(yīng)用的情況，主要設(shè)計(jì)STP協(xié)議（生成樹協(xié)議），端口管理與通信幀統(tǒng)計(jì)，VLAN功能[6]。其中通過STP協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)綜采工作面的交換機(jī)組成一個(gè)環(huán)網(wǎng)，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和冗余性；端口管理與通信幀統(tǒng)計(jì)是監(jiān)測(cè)交換機(jī)及所連接設(shè)備通信狀態(tài)的必須功能；VLAN功能可以實(shí)現(xiàn)綜采工作面的以太網(wǎng)按照設(shè)備類型劃分子網(wǎng)。劃分了VLAN之后，縮小了ARP攻擊的范圍，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性；通過VLAN劃分有效控制了廣播報(bào)文的傳播，縮小了廣播域的范圍，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

（三）千兆以太網(wǎng)交換機(jī)性能測(cè)試

采用Smartbit SMB600進(jìn)行交換機(jī)性能測(cè)試，SMB600的千兆網(wǎng)卡2個(gè)千兆口與交換機(jī)的千兆口對(duì)接，百兆網(wǎng)卡的4個(gè)百兆口分別與交換機(jī)百兆口對(duì)接。（下轉(zhuǎn)第917頁）

（上接第915頁） 由SMB600按網(wǎng)絡(luò)最大負(fù)荷往交換機(jī)的端口發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)流，交換機(jī)將測(cè)試數(shù)據(jù)流接收并按網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)處理轉(zhuǎn)發(fā)回SMB600，然后SMB600將根據(jù)所發(fā)送的測(cè)試流和所收到的數(shù)據(jù)流，兩相比較來計(jì)算出接入器端口的吞吐量、延時(shí)、丟包率共3項(xiàng)基本通信指標(biāo)，丟包率測(cè)試結(jié)果為0。圖2為吞吐量測(cè)試結(jié)果截圖，所有網(wǎng)口吞吐量達(dá)到100%，圖3為延時(shí)測(cè)試結(jié)果截圖，均為us級(jí)別延時(shí)。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，本文所設(shè)計(jì)的礦用千兆網(wǎng)交換機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了交換機(jī)的性能指標(biāo)要求，滿足網(wǎng)絡(luò)通信的要求。

二、礦用千兆網(wǎng)絡(luò)通信電纜設(shè)計(jì)與測(cè)試

在綜采工作面，礦用千兆網(wǎng)交換機(jī)布置在液壓支架側(cè)。液壓支架在采煤過程中，經(jīng)常會(huì)有推溜、拉架、升降柱等動(dòng)作，并且支架上還布置有各種液壓閥，液管等其他設(shè)備。在這種惡劣的環(huán)境下，液壓支架中間的兩臺(tái)交換機(jī)之間的連接，采用電纜無疑是最適合的方式。千兆以太網(wǎng)網(wǎng)通信用到了網(wǎng)線中所有的4對(duì)雙絞線，而常規(guī)的網(wǎng)線其防護(hù)強(qiáng)度和接線端子的強(qiáng)度均無法適應(yīng)綜采工作面的惡劣環(huán)境。

本文所設(shè)計(jì)的礦用千兆網(wǎng)絡(luò)通信電纜采用重載連接器的接插件，線纜采用鋼絲編制護(hù)套防護(hù)。由于通常的超五類或者六類網(wǎng)線無法適用于重載連接器的接插件，所以需要定制礦用網(wǎng)線的線芯。定制的線芯采用軟銅導(dǎo)體，標(biāo)稱截面積0.85mm2，絕緣層采用聚乙烯，線芯兩兩雙絞，總成纜采用扎紗進(jìn)行繞包，使纜芯圓整、緊密。定制的線芯通過FLUKE DTX進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試指標(biāo)包括傳輸時(shí)延，時(shí)延偏離，插入損耗（余量），電阻值等指標(biāo)。綜采工作面支架側(cè)布置交換機(jī)時(shí)走線長度通常不會(huì)超過25m，本次中選取的測(cè)試線長度約38米，留有足夠余量。測(cè)試結(jié)果如表1所示：

將定制的線芯與接插件及鋼絲編制護(hù)套組裝為成品線之后，通過Smartbit SMB600的千兆網(wǎng)卡測(cè)試礦用千兆網(wǎng)絡(luò)通信電纜的通信吞吐量，千兆通信吞吐量達(dá)到100%，測(cè)試結(jié)果如圖4所示：

從測(cè)試結(jié)果可以看出，本文的所設(shè)計(jì)的能夠適用于綜采工作面的礦用千兆以太網(wǎng)通信電纜的通信性能滿足千兆以太網(wǎng)的通信要求。

三、結(jié)語

千兆以太網(wǎng)應(yīng)用在綜采工作面，作為通信主干網(wǎng)絡(luò)，其最主要的設(shè)備就是千兆網(wǎng)交換機(jī)。本文從工程應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，從礦用千兆網(wǎng)交換機(jī)和礦用千兆網(wǎng)通信電纜兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)著手，提出了設(shè)計(jì)方案、測(cè)試方法，并且通過交換機(jī)和通信電纜的測(cè)試結(jié)果說明了設(shè)計(jì)方案的可行性。對(duì)于將千兆以太網(wǎng)應(yīng)用到煤礦綜采工作面有具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

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