黃騰龍,陳 蓓,李向東
挑水河磷礦智能礦山基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)設(shè)計(jì)研究
黃騰龍,陳 蓓,李向東
(長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410012)
基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)是智能礦山最主要的組成部分之一。通過(guò)對(duì)3種不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比,設(shè)計(jì)選用環(huán)型+局部星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨浮8鶕?jù)挑水河磷礦智能礦山數(shù)據(jù)的不同特點(diǎn)將基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)分為工業(yè)自動(dòng)控制信息數(shù)據(jù)網(wǎng)和六大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng),并分別對(duì)其通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備進(jìn)行選型匹配,使挑水河磷礦智能礦山基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)得到充分應(yīng)用,并取得了良好的效果。
智能礦山;基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò);交換機(jī);通信協(xié)議
智能采礦的核心內(nèi)涵是建設(shè)包括資源、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安全及管理等功能集于一體的礦山綜合信息平臺(tái)[1]?;A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)是礦山綜合信息平臺(tái)的一個(gè)重要基石。然而目前我國(guó)智能礦山網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中又普遍存在整體規(guī)劃不到位,系統(tǒng)融合難度大,技術(shù)雜亂等問(wèn)題,因此建設(shè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)對(duì)建設(shè)智能礦山至關(guān)重要[2-5]。挑水河磷礦位于湖南宜昌市境內(nèi),是集采礦、選礦、充填為一體、年產(chǎn)300萬(wàn)t的大型礦山。礦區(qū)范圍約25 km2,緩傾斜礦體,坑內(nèi)采用膠帶斜井+斜坡道聯(lián)合開(kāi)拓,分區(qū)開(kāi)采,分采分運(yùn),集中出礦。挑水河磷礦基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)需要覆蓋的范圍包括地面辦公樓控制中心、選礦廠、充填站、西部主井口房、井下20 km主巷道、支巷道和東部副井口房等。基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括工業(yè)自動(dòng)控制信息數(shù)據(jù)和六大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等。
方案Ⅰ:干線+局部環(huán)型網(wǎng)絡(luò)方案。控制中心、選礦廠、充填站等地面設(shè)備采用干線連接,自動(dòng)化子系統(tǒng)通過(guò)地面局部環(huán)網(wǎng)交換機(jī)傳輸至各干線節(jié)點(diǎn)交換機(jī)接入基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)進(jìn)行通信。井下西部主井口房、西部溜破系統(tǒng)、3#配電硐室、東部溜破系統(tǒng)、東部副井口房采用干線連接,井下重要支巷采用局部環(huán)網(wǎng)連接,六大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)井下局部環(huán)網(wǎng)交換機(jī)傳輸至干線節(jié)點(diǎn)交換機(jī)接入基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。
方案Ⅱ:干線+局部星型網(wǎng)絡(luò)方案。控制中心、選礦廠、充填站等地面設(shè)備采用干線連接,自動(dòng)化子系統(tǒng)通過(guò)地面局部星網(wǎng)交換機(jī)傳輸至各干線節(jié)點(diǎn)交換機(jī)接入基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)進(jìn)行通信。井下西部主井口房、西部溜破系統(tǒng)、3#配電硐室、東部溜破系統(tǒng)、東部副井口房采用干線連接,井下重要支巷采用局部星網(wǎng)連接,六大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)井下局部環(huán)網(wǎng)交換機(jī)傳輸至干線節(jié)點(diǎn)交換機(jī)接入基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。
方案Ⅲ:環(huán)型+局部星形網(wǎng)絡(luò)方案。從控制中心、選礦廠、充填站穿過(guò)井下西部主井口房、西部溜破系統(tǒng)、3#配電硐室、東部溜破系統(tǒng)、東部副井口房后經(jīng)過(guò)礦區(qū)內(nèi)地表公路架線返回控制中心,使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)行成一個(gè)大的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)。地面選礦廠控制子系統(tǒng)、充填站控制子系統(tǒng)井下重要支巷從環(huán)網(wǎng)交換機(jī)往后星型連接。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。
圖1 干線+局部環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
各方案優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn):方案Ⅲ網(wǎng)絡(luò)的可靠性最高,當(dāng)環(huán)型網(wǎng)絡(luò)一側(cè)斷線時(shí),數(shù)據(jù)可以從斷線的另一側(cè)繼續(xù)傳輸,不會(huì)影響主要節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的正常通訊。而在礦山生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中,經(jīng)常發(fā)生主要巷道、主要節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)斷線的事故,選擇方案Ⅰ和方案Ⅱ都存在主干網(wǎng)絡(luò)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)。選擇方案Ⅲ,雖然會(huì)增加一定的設(shè)備數(shù)量和投資,但能夠保障網(wǎng)絡(luò)更為可靠,減少因網(wǎng)絡(luò)故障帶來(lái)的其他損失。因此,綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素,本次設(shè)計(jì)選擇方案Ⅲ,即選擇環(huán)型+局部星形方案作為挑水河磷礦智能礦山基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?結(jié)構(gòu)。
圖2 干線+局部星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
圖3 環(huán)網(wǎng)+局部星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
表1 方案Ⅰ、方案Ⅱ和方案Ⅲ優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
挑水河磷礦智能礦山基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以分為兩大類,一類是工業(yè)自動(dòng)化控制信息數(shù)據(jù),一類是六大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。工業(yè)自動(dòng)控制信息數(shù)據(jù)特點(diǎn)是對(duì)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和傳輸速率要求都非常高。如井下2500 m膠帶運(yùn)輸系統(tǒng),要求控制信號(hào)快速傳輸,才能及時(shí)起停,要求數(shù)據(jù)長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定,才能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)生產(chǎn)。六大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的特點(diǎn)是可能在同一時(shí)刻產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。地面、井下有大量的視頻信號(hào)、音頻信號(hào)、監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)可能在同一時(shí)刻同時(shí)進(jìn)行傳輸。若在同一個(gè)環(huán)網(wǎng)上傳輸工業(yè)自動(dòng)化控制信息數(shù)據(jù)和六大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),存在工業(yè)自動(dòng)控制信息數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)、甚至指令丟失的情況,因此本設(shè)計(jì)提出的解決方案是利用一條多芯光纜同時(shí)建設(shè)兩個(gè)主干環(huán)網(wǎng),一個(gè)環(huán)網(wǎng)用于傳輸工業(yè)自動(dòng)控制信息數(shù)據(jù),一個(gè)環(huán)網(wǎng)用于傳輸六大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。用一條多芯光纜配備兩套不同的環(huán)網(wǎng)交換機(jī),組成工業(yè)自動(dòng)控制信息網(wǎng)和六大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控網(wǎng),用雙環(huán)網(wǎng)搭建起挑水河磷礦智能礦山基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)。不同數(shù)據(jù)特點(diǎn)的系統(tǒng)可以從工業(yè)自動(dòng)控制信息網(wǎng)和六大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控網(wǎng)中選擇一個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,從而避免網(wǎng)絡(luò)重復(fù)建設(shè)和數(shù)據(jù)沖突。
如圖4所示,挑水河磷礦智能礦山基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)共設(shè)置環(huán)節(jié)結(jié)點(diǎn)9個(gè),光纜從控制中心、充填站、穿過(guò)西部主井口房、西部溜破系統(tǒng)、3#配電硐室、東部溜破系統(tǒng)、東部副井口房沿地面公路架線到選礦廠、返回控制中心。
圖4 挑水河磷礦智能礦山基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)示意圖
通過(guò)工業(yè)自動(dòng)控制信息網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括地面選礦廠全流程控制系統(tǒng)、充填控制系統(tǒng)、井下膠帶運(yùn)輸控制系統(tǒng)、智能通風(fēng)系統(tǒng)、動(dòng)力管控系統(tǒng)、破碎機(jī)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)等,這些子系統(tǒng)均要求數(shù)據(jù)傳輸必須實(shí)時(shí)可靠,但又有不同的特點(diǎn)。如選礦廠全流程控制系統(tǒng)是一個(gè)分布式的自動(dòng)化子系統(tǒng),而破碎機(jī)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)又是一個(gè)單一的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制要求極高的自動(dòng)化子系統(tǒng)。常用的TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議無(wú)法滿足上述各子系統(tǒng)的要求,因此設(shè)計(jì)選用專用工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)PROFINET標(biāo)準(zhǔn)更為合適。PROFINET是由PROFIBUS國(guó)際組織(PROFIBUS International-PI)推出的新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的不同,PROFINET支持以下3種通信方式可以分別應(yīng)用于本設(shè)計(jì)工業(yè)自動(dòng)控制信息網(wǎng)的各個(gè)子系 統(tǒng)[6-8]。
(1)TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。TCP/IP是IT領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn),其響應(yīng)時(shí)間約在100 ms量級(jí),對(duì)于地面選礦廠全流程控制系統(tǒng)該響應(yīng)時(shí)間滿足工藝要求。
(2)實(shí)時(shí)(RT)通信。對(duì)于傳感器和執(zhí)行器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換,系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求更為嚴(yán)格,一般需要5~10 ms的響應(yīng)時(shí)間。本設(shè)計(jì)中的充填控制系統(tǒng)壓力傳感器、電動(dòng)執(zhí)行閥,需要更快將數(shù)據(jù)傳輸,采用實(shí)時(shí)(RT)通信。
(3)等時(shí)同步實(shí)時(shí)(IRT)通信。IRT常常被應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別的通信系統(tǒng)中,是實(shí)時(shí)性要求最高的一種控制方式。本設(shè)計(jì)中的破碎機(jī)遠(yuǎn)程遙控借鑒運(yùn)動(dòng)控制模式(Motion Control)來(lái)盡可能提高控制的實(shí)時(shí)性,保證井下遠(yuǎn)程破碎機(jī)的作業(yè)效率。
設(shè)計(jì)選擇支持PROFINET通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的西門子SCALANCE?X系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。9個(gè)環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)交換機(jī)選用X308-2M網(wǎng)管型交換機(jī),局部星網(wǎng)交換機(jī)選X202-2P IRT PRO高防護(hù)等級(jí)網(wǎng)管型交換機(jī)。
X308-2M網(wǎng)管型交換機(jī)具有1 個(gè)千兆級(jí)電氣端口、7 個(gè)高速以太網(wǎng)端口和2 個(gè)千兆級(jí)單模超長(zhǎng)距玻璃纖維光學(xué)端口。SCALANCE?X308-2M支持最多50個(gè)交換機(jī)連接一個(gè)最長(zhǎng)可以達(dá)150 km的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。當(dāng)環(huán)網(wǎng)一側(cè)發(fā)生堵塞或斷線時(shí),可以在0.3 s內(nèi)重構(gòu)另一側(cè)的傳輸路徑,保證網(wǎng)絡(luò)可靠通信。
X202-2P IRT PRO高防護(hù)等級(jí)網(wǎng)管型交換機(jī)可用于配置實(shí)時(shí)和等時(shí)同步實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò),標(biāo)準(zhǔn)的支網(wǎng)可以同時(shí)支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通訊(TCP/ IP),從而避免了雙重基礎(chǔ)架構(gòu)的需要;同時(shí)具有高的環(huán)境適應(yīng)能力,IP防護(hù)等級(jí)為IP67,配置2個(gè)電氣端口和2個(gè)光纖接口。
六大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控網(wǎng)連接的子系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)控系統(tǒng),人員定位系統(tǒng),通信系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)共同具有數(shù)據(jù)量大,傳輸距離遠(yuǎn),節(jié)點(diǎn)數(shù)量多,分布面積廣等特點(diǎn)。環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的選型主要考慮以下的技術(shù)指標(biāo):
(1)背板帶寬。背板帶寬是指交換機(jī)總的數(shù)據(jù)交換能力,是交換機(jī)數(shù)據(jù)處理能力的重要指標(biāo)。
(2)端口參數(shù)。包括端口類型、傳輸速率和數(shù)量。端口類型包括RJ-45接口、SC光纖接口。傳輸速率:交換機(jī)端口的數(shù)據(jù)交換速度。目前常見(jiàn)的有10,100,1000 Mbps等。端口數(shù)量:不同傳輸速度的端口數(shù)量。
(3)個(gè)性化功能:如是否帶有VLAN、端口鏡像、組播通信等業(yè)務(wù)特性。六大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)連接了多個(gè)子系統(tǒng),帶有VLAN功能的交換機(jī)可以將不同子系統(tǒng)劃分VLAN有助于數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
(4)自愈時(shí)間。環(huán)網(wǎng)交換機(jī)組建環(huán)網(wǎng),一條鏈路出現(xiàn)故障會(huì)啟用備用線路,網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)恢復(fù),自愈時(shí)間指從故障至啟用備用線路的時(shí)間。
挑水河磷礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置有500個(gè)視頻監(jiān)控?cái)z像頭,80個(gè)人員定位基站,30個(gè)語(yǔ)音通信基站,因此環(huán)網(wǎng)交換機(jī)端口應(yīng)同時(shí)配備RJ-45接口和SC光纖接口,端口帶寬選擇1000 Mbps,環(huán)網(wǎng)交換機(jī)端口數(shù)量不少于24個(gè)。設(shè)計(jì)選用MOXA IKS- 6726A作為9個(gè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī),選用MOXA EDS-205A作為局部星網(wǎng)交換機(jī)。
MOXA IKS-6726A工業(yè)級(jí)交換機(jī)支持千兆和快速以太網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)、雙冗余環(huán)網(wǎng)和隔離的兩路電源輸入,可以提高通信穩(wěn)定性,節(jié)省布線成本。設(shè)備帶有4個(gè)千兆網(wǎng)口和24個(gè)快速以太網(wǎng)口。支持用于設(shè)備管理和監(jiān)控的Ethernet/IP和Modbus協(xié)議,兼容Ethernet/IP和PROFINET協(xié)議,進(jìn)行透明數(shù)據(jù)傳輸。支持Turbo Ring,Turbo Chain(自愈時(shí)間<20 ms @250臺(tái)交換機(jī))。
MOXA EDS-205A有8個(gè)快速以太網(wǎng)口和光纖口,支持IEEE802.3/802.3u/802.3x,10/100M,全/半雙工,MDI/MDI-X自適應(yīng),對(duì)井下惡劣環(huán)境有更好的適應(yīng)性[9-10]。
對(duì)比國(guó)內(nèi)其他礦山的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)運(yùn)行情況,本設(shè)計(jì)在挑水河磷礦的應(yīng)用十分成功。如在貴州某大型磷礦,當(dāng)膠帶控制系統(tǒng)信號(hào)接入基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)時(shí),控制信號(hào)延時(shí)嚴(yán)重導(dǎo)致膠帶控制系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行,只能另外重新建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)專供膠帶控制系統(tǒng)使用,造成重復(fù)投資;在湖北某鐵礦,井下原有攝像頭80個(gè),在增加50個(gè)攝像頭后,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)堵塞,圖像無(wú)法正常上傳,在增加了新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)后,又面臨新舊網(wǎng)絡(luò)無(wú)法整合的問(wèn)題,形成許多不必要的麻煩。本設(shè)計(jì)將實(shí)時(shí)性可靠性要求極高的工業(yè)自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)量大的六大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)一起規(guī)劃,同時(shí)實(shí)施,用一根多芯光纜建立了兩個(gè)完全獨(dú)立的環(huán)型網(wǎng)絡(luò),既節(jié)省了投資又滿足了兩個(gè)不同特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸需求。
從應(yīng)用的效果上,挑水河磷礦井下破碎機(jī)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)的視頻信號(hào)延時(shí)小于500 ms,控制信號(hào)的延時(shí)小于10 ms,完全滿足實(shí)際運(yùn)行需要;井下膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)置人工崗位,已實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)化、智能化運(yùn)行;井下智能通風(fēng)系統(tǒng),排水自動(dòng)系統(tǒng),地面選礦廠控制系統(tǒng),充填控制系統(tǒng)均已穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行一年多,可靠性非常好。目前,挑水河磷礦智能礦山建設(shè)已經(jīng)取得了階段性成果,得到了各界專家領(lǐng)導(dǎo)的一致好評(píng),其中智能礦山基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)發(fā)揮了重要的作用。
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(2018-07-13)
黃騰龍(1988—),男,福建仙游人,碩士,工程師,主要從事充填技術(shù)和礦礦山智能化技術(shù)研究,Email:467552558@qq.com。