礦井光纖通信故障旁路設(shè)計(jì)方法分析

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［摘要］基于礦井光纖通信中傳輸鏈路可靠性的需求，設(shè)計(jì)了一種斷電故障旁路方法。詳細(xì)介紹了該方法的實(shí)現(xiàn)原理，實(shí)現(xiàn)了在單纖傳輸網(wǎng)絡(luò)和雙纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際應(yīng)用。實(shí)際測試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方法可有效地將斷電設(shè)備進(jìn)行旁路，線路切換時(shí)間在3～4ms，具有較好的應(yīng)用效果。

［關(guān)鍵詞］礦井光纖；環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；鏈路形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；故障旁路；光路切換

引言

礦井以太網(wǎng)光纖通信以其穩(wěn)定性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸帶寬高等優(yōu)點(diǎn)，正在被廣泛地應(yīng)用［1］。礦井光纖通信網(wǎng)絡(luò)中多以工業(yè)級以太網(wǎng)交換機(jī)為節(jié)點(diǎn)設(shè)備，各交換機(jī)之間通過礦用光纜相連，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為環(huán)形網(wǎng)絡(luò)與鏈路形網(wǎng)絡(luò)。環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)為一種冗余結(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)網(wǎng)中任一節(jié)點(diǎn)交換機(jī)故障或光纜斷開時(shí)不影響其他節(jié)點(diǎn)交換機(jī)工作。在某些不適合以環(huán)網(wǎng)型式布置交換機(jī)的應(yīng)用場合，光纖通信多以鏈路形布置。但當(dāng)鏈路形布置中間某一交換機(jī)發(fā)生斷電故障時(shí)，將導(dǎo)致該交換機(jī)后面所有通信中斷。鑒此，開發(fā)了一種故障旁路設(shè)計(jì)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)交換機(jī)發(fā)生斷電故障時(shí)，通過旁路設(shè)計(jì)方法將該故障節(jié)點(diǎn)跳過，不影響節(jié)點(diǎn)后面交換機(jī)通信，使得光纖通信不會(huì)因某一節(jié)點(diǎn)的故障而全部中斷。

1礦井光纖通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

目前廣泛應(yīng)用的礦山網(wǎng)絡(luò)仍采用以有線網(wǎng)絡(luò)為主、無線網(wǎng)絡(luò)為輔的架構(gòu)，井下網(wǎng)絡(luò)多采用千兆工業(yè)以太網(wǎng)作為有線骨干網(wǎng)絡(luò)［2-4］。除監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)外，其他語音系統(tǒng)和工業(yè)電視等系統(tǒng)接入統(tǒng)一信息傳輸平臺，多個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)是同時(shí)傳輸［5］。主干傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多為環(huán)形網(wǎng)絡(luò)型式，網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)端口被指定為堵塞端口，當(dāng)發(fā)生交換機(jī)故障或光纜連接故障時(shí)，該堵塞端口將迅速切換為正常通信接口，其恢復(fù)時(shí)間一般<50ms，基本不影響正常通信。在某些主干環(huán)網(wǎng)下分支以太網(wǎng)設(shè)備，如不具備環(huán)網(wǎng)構(gòu)建條件，則多以鏈路型式存在。如工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)中，礦用攝像儀一般以鏈路的形式從主干傳輸網(wǎng)絡(luò)上引出，并通過光纜串接。在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，根據(jù)國家煤礦安監(jiān)局印發(fā)的《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》中要求，分站至主干網(wǎng)絡(luò)宜采工業(yè)以太網(wǎng)。由于以太網(wǎng)分站安裝位置限制，多數(shù)以太網(wǎng)分站將采用鏈路的連接方式。綜上所述，礦用光纖通信的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為環(huán)網(wǎng)型式和鏈路型式，由于環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)為安全冗余結(jié)構(gòu)，建議具備條件的光纖通信采用環(huán)網(wǎng)型式。如不具備環(huán)網(wǎng)構(gòu)建調(diào)節(jié)的光纖通信，采用鏈路型式結(jié)構(gòu)時(shí)需充分考慮節(jié)點(diǎn)故障或光纜故障時(shí)快速處理措施，將故障影響降低到最低。

2故障旁路設(shè)計(jì)原理

光纖通信故障旁路設(shè)計(jì)方法需要在本地交換機(jī)設(shè)備內(nèi)部加入控制光路通道的光開關(guān)，光開關(guān)是具有一個(gè)或多個(gè)可選通道的光傳輸器件，其作用是通過電流控制激光的傳輸路徑，達(dá)到切換光傳輸路徑的需求。本設(shè)計(jì)中選用了2×2式光開關(guān)，具有2路輸入和2路輸出，具有插入損耗低、適用波長范圍寬、使用壽命長、切換時(shí)間短等特點(diǎn)。2×2式光開關(guān)具有P1~P4等4路光纖接口，若光開關(guān)的電源斷開時(shí)，則P1與P3光路相通。若光開關(guān)電源存在情況下，則P1與P4、P2與P3光路相通。光開關(guān)參數(shù)如表1所示，光開關(guān)內(nèi)部原理如圖1所示。

2.1單纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中故障旁路設(shè)計(jì)

單纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)之間通過單纖連接即可通信，即在1根光纖上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，相對于多纖通信方案可節(jié)省一半的光纖量，適用于光纖資源比較緊張的應(yīng)用場所。單纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中故障旁路設(shè)計(jì)方法如圖2所示。圖2中IN1和IN2為光開關(guān)的輸入信號，用于連接遠(yuǎn)端相連接的2臺交換機(jī)。OUT1和OUT2為光開關(guān)的輸出信號，用于連接本地交換機(jī)的2個(gè)光口。當(dāng)本地交換機(jī)電源供電正常，則光開關(guān)的通路情況如圖2中實(shí)線所示，將本地交換機(jī)接入傳輸網(wǎng)絡(luò)；若本地交換機(jī)發(fā)生斷電故障，則光開關(guān)的通路情況如圖2中虛線所示，直接將本地交換機(jī)旁路，光信號跳過本地交換機(jī)后直接與下一級交換機(jī)相連。

2.2雙纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中故障旁路設(shè)計(jì)

由于單纖傳輸網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)需要區(qū)分光模塊使用，并且存在較大的信號損耗，所以在礦用光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中，多采用雙纖傳輸。雙纖傳輸中2臺交換機(jī)之間通信需要2根光纖相連，1根為發(fā)送信號，另1根為接收信號。雙纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中故障旁路設(shè)計(jì)方法中需要使用2個(gè)光開關(guān)，完成4路光通道的切換，設(shè)計(jì)方法如圖3所示。圖3中IN-TX1、IN-RX1、IN-TX2、IN-RX2為4路光開關(guān)的輸入信號，其中TX1與RX1共同使用，TX2與RX2共同使用，分別連接遠(yuǎn)端的2臺交換機(jī)。OUT-TX1、OUT-RX1、OUT-TX2、OUT-RX2為4路光開關(guān)的輸出信號，用于連接本地交換機(jī)的2個(gè)光口。當(dāng)本地交換機(jī)電源供電正常，則光開關(guān)的通路情況如圖3中實(shí)線所示，遠(yuǎn)端交換機(jī)的光信號通過光開關(guān)后直接連到本地交換機(jī)的光口，將本地交換機(jī)接入傳輸網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)本地交換機(jī)發(fā)送斷電故障，則光開關(guān)的通路情況如圖3中虛線所示，IN-TX1與IN-RX2相連，IN-RX1與IN-TX2相連，如此交叉連接可保證跳過本地交換機(jī)后，遠(yuǎn)端的2臺交換機(jī)可正常通信。

3旁路設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)煤礦現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，搭建了如圖4所示試驗(yàn)環(huán)境，對光纖通信故障旁路設(shè)計(jì)的實(shí)際效果進(jìn)行了測試。圖4中，交換機(jī)1和交換機(jī)2通過光纜與交換機(jī)相連，交換機(jī)2中加入旁路設(shè)計(jì)。交換機(jī)1和交換機(jī)2分別連接了計(jì)算機(jī)1和計(jì)算機(jī)2，試驗(yàn)時(shí)通過計(jì)算機(jī)1發(fā)出網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，計(jì)算機(jī)2利用Wireshark軟件抓取數(shù)據(jù)包。在試驗(yàn)過程中斷開交換機(jī)2的電源，通過對比發(fā)出的數(shù)據(jù)包和抓取的數(shù)據(jù)包數(shù)量，可得到所丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量，然后根據(jù)數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔，可計(jì)算出旁路設(shè)計(jì)的故障時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。通過試驗(yàn)結(jié)果可知，該旁路設(shè)計(jì)的故障時(shí)間在3~4ms，遠(yuǎn)小于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中環(huán)網(wǎng)切換時(shí)間50ms，對光纖通信中數(shù)據(jù)傳輸影響較小，滿足光纖通信中實(shí)時(shí)性的要求。

4結(jié)語

分析了礦井光纖通信中常用的環(huán)形和鏈路形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，介紹了一種礦井光纖通信中故障旁路的設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法利用了光開關(guān)的光路切換功能，對掉電的交換機(jī)設(shè)備進(jìn)行了旁路處理。實(shí)際測試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方法可有效地將斷電設(shè)備進(jìn)行旁路，線路切換時(shí)間在3~4ms，具有較好的應(yīng)用效果。

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作者：姚超修 單位：天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司