千兆以太网在综采工作面应用的关键问题研究

　　【摘要】为解决千兆以太网在综采工作面应用的问题，本文从矿用千兆网络交换机和矿用千兆网络通信电缆两个关键问题入手：提出了矿用千兆网络交换机的硬件和软件设计方案，并对交换机吞吐量、延时、丢包率等关键性能指标进行了测试验证；提出了矿用千兆网络通信电缆设计方案，并对线芯及成品电缆的性能指标进行了测试验证。所设计的千兆网交换机及通信电缆能够满足工作面的应用需求，对将千兆以太网应用到煤矿综采工作面有具有实际指导意义。
　　【关键词】千兆以太网；综采工作面；交换机；通信电缆
　　在工业生产的过程中，随着自动化技术的发展，生产现场需要联网的设备逐渐增多。煤矿经过多年的发展，其综合自动化程度也已经有了非常大的提高。在我国现代化的煤矿井下，千兆乃至万兆以太网作为通信的主干网络早已成熟应用，一条通信光缆将遍布在井下各处的需要联网的子系统连接在一起，包括监测监控系统、人员定位系统等信息化系统以及电力监测、主通风机在线监测等生产过程自动化系统，最终所有的信息汇聚到地面调度中心。通过以太网技术，有效的整合了各个子系统资源，发挥自动化集成的最大效益，在煤矿综合自动化建设中发挥了巨大的作用〔14〕。
　　在环境相对的复杂和恶劣的综采工作面，从2013年开始将百兆以太网技术作为综采自动化系统中通信主干网，用来传输综采工作面相关的数据、视频等信息，对于提升综采系统的自动化程度，提升安全性能起到了重要作用〔5〕。
　　但是随着工作面视频摄像仪等以太网通信设备越来越多，特别像红外热成像仪这类占用大通信带宽的设备，百兆以太网已经渐渐难以满足综采自动化系统的应用需求，在综采工作面布置千兆以太网已经迫在眉睫。本文从工程应用的角度出发，分析了千兆以太网在综采工作面应用的两个关键问题并提出解决方案，包括矿用千兆以太网交换机设计与测试，矿用千兆网络通信电缆设计与测试等。
　　一、矿用千兆以太网交换机设计与测试
　　综采工作面根据煤层的厚度一般分为薄煤层、中厚煤层和厚煤层，中厚煤层和厚煤层的工作面通常有足够的空间安放各类设备，但是在薄煤层的工作面，高度方向上最低不足1米，对所有设备的体积都有严格的要求。隔爆类的设备由于隔爆面的要求体积通常都比较庞大，所以本文的矿用千兆以太网交换机优先选择设计为本安类设备。
　　（一）硬件电路设计
　　硬件电路主要有3部分组成：电源部分、交换部分和控制部分。硬件电路设计框图如图1所示：
　　本安产品最重要的设计就在于电源设计，本文根据交换机芯片的功耗情况，选择LMZ14203作为整个电路的电源芯片，其具有输入电容小，输出电流大，电源纹波小等特点，最大可以提供3A的輸出电流。在电源原理图设计过程中，根据GB3836。4的要求，在电源入口处增加防反二极管，过压保护等，在电源输出端增加齐纳二极管保护。
　　交换部分选用Marvell公司生产的88E6095作为主芯片，外接25MHz晶振，该芯片P0～P7端口全部集成PHY，支持10100BASETX，P8～P10接口支持SGMII协议，可外接千兆PHY芯片88E1111。本文中根据工作面的实际需要，将其设计为2个千兆电口4个百兆电口1个MII接口的模式。其中两个千兆电口用于交换机之间的互联互通，4个百兆电口用于接入工作面的视频摄像仪等以太网设备，1个MII接口用于同控制芯片LPC1830通信。
　　控制部分选用LPC1830作为主芯片，LPC1830通过MII接口与88E6095交换芯片连接，完成对交换机功能的管理，并提供如VLAN、生成树、SNMP等协议的支持。LPC1830外接12MHz晶振，并通过SPIFI串行接口扩展Flash，用来存储程序文件、数据等，通过并行总线接口外扩SRAM，增大程序运行空间；通过I2C总线外扩EEPROM，提供交换机的一些特定代码以及各种配置信息和参数的存储空间。
　　（二）软件设计
　　从系统的角度，交换机的软件可以分为系统软件、驱动软件与应用软件。本文采用uCOSII嵌入式实时操作系统，实现任务调度，任务管理，时间管理，内存管理和任务间的通信和同步等功能。驱动软件部分主要包括LCP1830所用到的SPIFI，I2C，Ethernet等硬件接口驱动。应用软件部分根据交换机在综采工作面应用的情况，主要设计STP协议（生成树协议），端口管理与通信帧统计，VLAN功能〔6〕。其中通过STP协议可以实现综采工作面的交换机组成一个环网，提高整个网络的稳定性和冗余性；端口管理与通信帧统计是监测交换机及所连接设备通信状态的必须功能；VLAN功能可以实现综采工作面的以太网按照设备类型划分子网。划分了VLAN之后，缩小了ARP攻击的范围，提高网络的安全性；通过VLAN划分有效控制了广播报文的传播，缩小了广播域的范围，提高网络的性能。
　　（三）千兆以太网交换机性能测试
　　采用SmartbitSMB600进行交换机性能测试，SMB600的千兆网卡2个千兆口与交换机的千兆口对接，百兆网卡的4个百兆口分别与交换机百兆口对接。（下转第917页）
　　（上接第915页）由SMB600按网络最大负荷往交换机的端口发送测试数据流，交换机将测试数据流接收并按网络交换机处理转发回SMB600，然后SMB600将根据所发送的测试流和所收到的数据流，两相比较来计算出接入器端口的吞吐量、延时、丢包率共3项基本通信指标，丢包率测试结果为0。图2为吞吐量测试结果截图，所有网口吞吐量达到100，图3为延时测试结果截图，均为us级别延时。
　　从测试结果可以看出，本文所设计的矿用千兆网交换机各项技术指标均达到了交换机的性能指标要求，满足网络通信的要求。
　　二、矿用千兆网络通信电缆设计与测试
　　在综采工作面，矿用千兆网交换机布置在液压支架侧。液压支架在采煤过程中，经常会有推溜、拉架、升降柱等动作，并且支架上还布置有各种液压阀，液管等其他设备。在这种恶劣的环境下，液压支架中间的两台交换机之间的连接，采用电缆无疑是最适合的方式。千兆以太网网通信用到了网线中所有的4对双绞线，而常规的网线其防护强度和接线端子的强度均无法适应综采工作面的恶劣环境。
　　本文所设计的矿用千兆网络通信电缆采用重载连接器的接插件，线缆采用钢丝编制护套防护。由于通常的超五类或者六类网线无法适用于重载连接器的接插件，所以需要定制礦用网线的线芯。定制的线芯采用软铜导体，标称截面积0。85mm2，绝缘层采用聚乙烯，线芯两两双绞，总成缆采用扎纱进行绕包，使缆芯圆整、紧密。定制的线芯通过FLUKEDTX进行测试，主要测试指标包括传输时延，时延偏离，插入损耗（余量），电阻值等指标。综采工作面支架侧布置交换机时走线长度通常不会超过25m，本次中选取的测试线长度约38米，留有足够余量。测试结果如表1所示：
　　将定制的线芯与接插件及钢丝编制护套组装为成品线之后，通过SmartbitSMB600的千兆网卡测试矿用千兆网络通信电缆的通信吞吐量，千兆通信吞吐量达到100，测试结果如图4所示：
　　从测试结果可以看出，本文的所设计的能够适用于综采工作面的矿用千兆以太网通信电缆的通信性能满足千兆以太网的通信要求。
　　三、结语
　　千兆以太网应用在综采工作面，作为通信主干网络，其最主要的设备就是千兆网交换机。本文从工程应用实际出发，从矿用千兆网交换机和矿用千兆网通信电缆两个关键点着手，提出了设计方案、测试方法，并且通过交换机和通信电缆的测试结果说明了设计方案的可行性。对于将千兆以太网应用到煤矿综采工作面有具有实际指导意义。
　　【参考文献】
　　〔1〕袁鹏伟。工业以太网在煤矿综合自动化系统中的应用〔J〕。河南科技，2015（8）：1214。
　　〔2〕孟国胜，白宝国，袁海宾。工业以太网环网三层物理网络结构的煤矿自动化网络平台〔J〕。煤矿机电，2014（1）：124126。
　　〔3〕高雷，李靖。工业以太环网在煤矿信息化中的应用于研究〔J〕。山东工业技术，2018（4）：100。
　　〔4〕王培敏。基于以太网的煤矿供电监控系统〔J〕。能源与节能，2018（3）：1618。
　　〔5〕黄曾华，李森。工业以太网技术在综采工作面自动化系统中的应用，2013（3）：1215。
　　〔6〕李金华，王建强，曾金元。基于ARM矿用千兆以太网交换机的设计〔J〕。能源技术与管理，2014，39（3）：160163。