針對(duì)煤礦井下復(fù)雜電磁環(huán)境造成新產(chǎn)品、新技術(shù)和新思路的試錯(cuò)成本變高的問(wèn)題，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)(軟件)或網(wǎng)絡(luò)仿真方法，在新裝備或新系統(tǒng)實(shí)際部署前，搭建井下仿真實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)現(xiàn)新引入的智能系統(tǒng)中控制處理、功能診斷等方面的不足，保證實(shí)際系統(tǒng)正式上線(xiàn)的可靠性，根據(jù)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，預(yù)判系統(tǒng)故障，增強(qiáng)真實(shí)系統(tǒng)的易維護(hù)性。筆者通過(guò)仿真環(huán)境搭建，設(shè)計(jì)井下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r，通過(guò)軟PLC控制系統(tǒng)可靠性。

文章來(lái)源：《智能礦山》2026年第3期“學(xué)術(shù)園地”欄目

作者簡(jiǎn)介：張萌，工程師，主要從事礦山智能化網(wǎng)絡(luò)、礦用產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、礦山數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)工作。Email：machinecatzm@163.com

作者單位：煤炭科學(xué)研究總院有限公司

引用格式：張萌.煤礦基于 NS–3 的軟 PLC 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真研究 [J]. 智能礦山，2026，7（3）：82-86.

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目前，隨著綜采工作面智能化的推進(jìn)，其復(fù)雜度及智能化程度不斷提高，綜采工作面的“三機(jī)”裝備可進(jìn)行軟PLC控制等業(yè)務(wù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、單套/成組自動(dòng)控制、全線(xiàn)緊急停止、狀態(tài)及故障信息顯示等功能。尤其在多個(gè)工作面控制系統(tǒng)組成物聯(lián)網(wǎng)之后，設(shè)備控制和管理的復(fù)雜性呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。對(duì)綜采工作面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)（含支撐網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)）在復(fù)雜工況下設(shè)備的高可靠性、易維護(hù)性和高實(shí)時(shí)性提出更高要求。各系統(tǒng)中控制單元、執(zhí)行單元與多種傳感器配合完成復(fù)雜閉環(huán)控制，且在時(shí)延內(nèi)作出預(yù)期響應(yīng)。

煤礦控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真背景和意義

目前，礦井采用了地面遠(yuǎn)程干預(yù)型綜采控制系統(tǒng)，包括綜采裝備控制、工作面視頻監(jiān)控、井上井下數(shù)據(jù)通信與地面監(jiān)控等系統(tǒng)。地面監(jiān)控系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、地面語(yǔ)音系統(tǒng)；綜采裝備控制系統(tǒng)安裝于井下綜采工作面；綜采裝備信息及監(jiān)視視頻圖像信息通過(guò)井下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)經(jīng)由井上/井下環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)，地面監(jiān)控系統(tǒng)據(jù)此對(duì)井下綜采裝備進(jìn)行控制，包括啟?？刂?、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化開(kāi)采、遠(yuǎn)程干預(yù)、故障診斷及報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)分析等。

在前述基礎(chǔ)上，王國(guó)法院士提出了基于自主感知控制、信息傳輸、統(tǒng)一操作系統(tǒng)平臺(tái)、井下系統(tǒng)平臺(tái)、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理平臺(tái)的煤礦智能化建設(shè)系統(tǒng)架構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)煤礦智能化建設(shè)目標(biāo)，研發(fā)適用于煤礦井下的低功耗、高精度、高可靠、集成化、微型化智能傳感器，重點(diǎn)突破核心芯片、軟件等基礎(chǔ)共性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下環(huán)境的全面、精準(zhǔn)感知，逐步形成全礦井全息泛化的高精度智能感知場(chǎng)。

通過(guò)提高智慧煤礦井上下信息采集密度、增加信息采集種類(lèi)、統(tǒng)一信息采集標(biāo)準(zhǔn)、增強(qiáng)信息處理能力，可提高時(shí)效性。構(gòu)建智慧煤礦大數(shù)據(jù)統(tǒng)一共享平臺(tái)，建立信息共享機(jī)制，可提高智慧煤礦信息資源綜合利用水平，解決井下各子系統(tǒng)間存在的“信息孤島”、子系統(tǒng)割裂等若干問(wèn)題。

因此，基于NS-3平臺(tái)和軟PLC搭建網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，作為井下PLC控制系統(tǒng)信息采集、處理、分析、決策的仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，模擬井下PLC終端和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)信息元素自發(fā)現(xiàn)、互協(xié)同、全融合。

通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)、算法機(jī)理研究、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議適配等，快速、敏捷達(dá)成既定科研方針目標(biāo)。項(xiàng)目前期盡可能讓不確定潛在問(wèn)題暴露在網(wǎng)絡(luò)仿真過(guò)程中，保障在煤礦真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境部署和應(yīng)用過(guò)程中降低故障率和試錯(cuò)成本，對(duì)煤礦智能化系統(tǒng)預(yù)測(cè)性運(yùn)維和管理具有預(yù)見(jiàn)性和指導(dǎo)意義。

煤礦控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真研究思路

遵循以PLC仿真為點(diǎn)，以應(yīng)用仿真為線(xiàn)、以NS-3仿真為面的原則，結(jié)合煤礦智能化建設(shè)系統(tǒng)架構(gòu)，針對(duì)不同層次的網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)，差異化分配CPU、存儲(chǔ)單元參數(shù)，以滿(mǎn)足仿真環(huán)境的要求。真實(shí)模擬業(yè)務(wù)處理流程，強(qiáng)化仿真過(guò)程中各網(wǎng)元的約束條件。例如，強(qiáng)制配置某傳感器節(jié)點(diǎn)或終端業(yè)務(wù)服務(wù)器的帶寬、時(shí)延、丟包率，以反映其在真實(shí)環(huán)境中存在的性能、資源、調(diào)度、時(shí)間、決策等問(wèn)題和瓶頸。

仿真對(duì)安監(jiān)視頻流、調(diào)度指揮指令流、煤機(jī)裝備遠(yuǎn)程運(yùn)維控制流、煤礦業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同步流、終端感知設(shè)備數(shù)據(jù)流進(jìn)行深度包檢測(cè)（DPI）和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，仿真模擬數(shù)據(jù)的接入、匯聚、傳輸和會(huì)話(huà)過(guò)程，與煤礦井下實(shí)際運(yùn)行內(nèi)容進(jìn)行比較分析。通過(guò)從井下設(shè)備、數(shù)據(jù)后臺(tái)獲取在線(xiàn)或離線(xiàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)構(gòu)建數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)發(fā)送端，按照EIP協(xié)議格式，構(gòu)建煤礦井下實(shí)際應(yīng)用的真實(shí)報(bào)文。增加仿真節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)并提升仿真平臺(tái)吞吐能力，以期對(duì)煤礦智能化建設(shè)原型系統(tǒng)進(jìn)行趨近于真實(shí)情況的仿真。

煤礦控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真和軟PLC終端選型

軟PLC終端基于嵌入式RTOS，通常從成本、可靠性、實(shí)時(shí)性、工具鏈、模塊豐富度、RTOS內(nèi)核RAM和ROM占用量等方面，與其他操作系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。基于OpenPLC項(xiàng)目的軟PLC具有傳統(tǒng)PLC的全部特色功能，同時(shí)遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，且具有安全性高、占用資源少、文檔齊全、免費(fèi)、源碼開(kāi)放、LWIP和FatFS、運(yùn)行環(huán)境庫(kù)移植簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可方便地應(yīng)用于PLC控制系統(tǒng)嵌入式設(shè)計(jì)，完成PLC控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

NS-3（Network Simulation 3rd）是離散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)仿真器，主要應(yīng)用于研究和教育領(lǐng)域，旨在滿(mǎn)足學(xué)術(shù)和教學(xué)的需求。NS-3項(xiàng)目為開(kāi)源開(kāi)發(fā)工程，最新版本為NS-3.40。NS3適用平臺(tái)包括：Linux、Mac OS、Cygwin（Windows下的仿Linux環(huán)境）。

綜上，建議RTOS選擇OpenPLC、ProViewR或Linux內(nèi)核作為嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，NS-3為網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證平臺(tái)，GNS3與NS-3的特征對(duì)比見(jiàn)表1。

表 1 GNS3與NS-3的特征對(duì)比

類(lèi)型特征

GNS3

NS

NOS支持性

支持主流廠(chǎng)商N(yùn)OS

支持多廠(chǎng)商N(yùn)OS

用戶(hù)管理

不支持

支持

云平臺(tái)整合

支持

支持

自動(dòng)化程度

支持Python腳本

支持Python腳本

VNFs

不支持

支持

開(kāi)源程度

全開(kāi)源

全開(kāi)源

接入方式

客戶(hù)端

API或者lib方式接入

煤礦控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真架構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真架構(gòu)設(shè)計(jì)基于NS網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，搭建仿真基礎(chǔ)架構(gòu)，分為HOST主機(jī)層、VM虛擬機(jī)層、Vnet虛擬網(wǎng)絡(luò)層和Guest的終端嵌入式操作系統(tǒng)層。

（1）HOST主機(jī)層主要用于搭建各種異構(gòu)操作系統(tǒng)，可使用APPLE公司的MAC操作系統(tǒng)、用于服務(wù)器的Unix或Linux操作系統(tǒng)、微軟windows server操作系統(tǒng)。

（2）VM層主要包含各種虛擬機(jī)（Virtual Machine，縮寫(xiě)VM）軟件，用于模擬各種設(shè)備的操作系統(tǒng)底層設(shè)備接口，例如VMware、VirtualBox、KVM、Hyper-V等。

（3）VNet層主要指網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，可安裝在裸操作系統(tǒng)（即HOST主機(jī)層），也可安裝在VM層所形成的虛擬機(jī)平臺(tái)上，提高HOST主機(jī)資源利用效率。在此基礎(chǔ)上搭建NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)和相關(guān)管理工具。

作為WebUI的B/S方式訪(fǎng)問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，建議NS-3平臺(tái)搭建在以Unix/Linux為操作系統(tǒng)的主機(jī)平臺(tái)上。若安裝了VM平臺(tái)層虛擬軟件，HOST主機(jī)層可根據(jù)自身需求安裝滿(mǎn)足要求的定制化自主可控操作系統(tǒng)（推薦國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)），但VM虛擬機(jī)內(nèi)最好安裝基于Unix/Linux的服務(wù)器操作系統(tǒng)，如Debian、Centos或者Ubuntu的Server版本。

（4）Guest是在網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)內(nèi)利用KVM、QEMU等工具虛擬出的操作系統(tǒng)，可仿真實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或報(bào)文格式通過(guò)socket接口進(jìn)行代碼編寫(xiě)，模擬軟PLC終端設(shè)備的收發(fā)狀態(tài)，對(duì)接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軟件層面的定制開(kāi)發(fā)和功能測(cè)試。預(yù)判潛在問(wèn)題，或修復(fù)邏輯功能故障。

若NS-3已安裝VM虛擬操作系統(tǒng)，建議使用VMware或Hyper-V虛擬軟件，此類(lèi)虛擬機(jī)中安裝的操作系統(tǒng)可再次安裝虛擬系統(tǒng)。截至目前，VirtualBox6.0版本的虛擬軟件，在非AMD的CPU環(huán)境下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)多層嵌套環(huán)境，虛擬仿真環(huán)境軟件平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖 1 擬仿真環(huán)境軟件平臺(tái)架構(gòu)

軟PLC終端OS研究

軟PLC終端OS可分為RTOS和非RTOS，內(nèi)部邏輯功能包括移植現(xiàn)有代碼，通過(guò)對(duì)應(yīng)嵌入式OS工具鏈進(jìn)行交叉編譯，生成對(duì)應(yīng)嵌入式操作系統(tǒng)的可執(zhí)行文件；通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)編寫(xiě)socket網(wǎng)絡(luò)程序，使用常用網(wǎng)絡(luò)工具命令（如ping命令），模擬實(shí)際的PLC終端設(shè)備發(fā)送相同的TCP/IP的協(xié)議報(bào)文或音視頻流?？稍贜S-3某節(jié)點(diǎn)添加wincap或analyzer抓包分析工具，查看終端在運(yùn)行過(guò)程中執(zhí)行正確的邏輯功能，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。也可人為發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)文，查看其他終端對(duì)接收錯(cuò)誤報(bào)文處理和響應(yīng)方式，以及對(duì)異常情況的處理和捕獲。終端操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯如圖2所示，其他Stub為樁代碼，可對(duì)設(shè)備的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)和網(wǎng)卡進(jìn)行軟件化模擬和仿真。

圖2 終端操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯

煤礦井下網(wǎng)絡(luò)仿真研究

煤礦井下網(wǎng)絡(luò)一般使用環(huán)網(wǎng)，在NS-3仿真工具中，利用NS-3系統(tǒng)中的庫(kù)、接口或可仿真路由器VM作為環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。以某煤礦生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浼軜?gòu)為基礎(chǔ)，利用NS-3構(gòu)建該煤礦的網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浼軜?gòu)。應(yīng)礦方要求，已刪除關(guān)鍵敏感信息，網(wǎng)絡(luò)相關(guān)節(jié)點(diǎn)使用NS-3中類(lèi)庫(kù)進(jìn)行替代，不影響網(wǎng)絡(luò)仿真的結(jié)果和功能，基于NS-3仿真網(wǎng)絡(luò)的某煤礦網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)潢P(guān)系如圖3所示。

圖 3 基于NS-3仿真網(wǎng)絡(luò)的某煤礦網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)潢P(guān)系

在每個(gè)交換機(jī)的Eth口通過(guò)Hub1和Hub2擴(kuò)展接口，接入更多終端OS設(shè)備，在本例中為VPC、TinyCoreLinux、OpenPLC或者ProViewR，即前文所述的終端仿真設(shè)備，根據(jù)實(shí)際功能需求，發(fā)送或者接收和實(shí)際情況相同的報(bào)文和音頻流，實(shí)際模擬井下現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r和服務(wù)質(zhì)量。

通過(guò)增加VPC實(shí)例PC1.1、PC1.2和PC1.3設(shè)備的報(bào)文發(fā)送和接收量，調(diào)整數(shù)據(jù)使用帶寬，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)模擬井下數(shù)據(jù)包實(shí)際路由情況，報(bào)文丟包率和時(shí)延等信息，對(duì)真實(shí)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)或者非實(shí)時(shí)仿真。為避免帶寬不足引起的丟包現(xiàn)象，提前預(yù)判可能產(chǎn)生的故障，保障井下環(huán)網(wǎng)的可靠性和可達(dá)性。

此次網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)只從原理說(shuō)明角度，簡(jiǎn)化闡述網(wǎng)絡(luò)仿真的設(shè)計(jì)原理和思路，并未從實(shí)際工程角度進(jìn)行仿真，但針對(duì)某礦井下網(wǎng)絡(luò)真實(shí)仿真時(shí)，網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)可部署在云上，系統(tǒng)資源豐富，可仿真更多設(shè)備類(lèi)型，包括軟PLC、傳感器、交換機(jī)、路由器、集線(xiàn)器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

總 結(jié)

（1）煤礦井下智能化設(shè)備增多，現(xiàn)有人為處置已經(jīng)不能滿(mǎn)足發(fā)展需求，采用PLC設(shè)備遠(yuǎn)程控制井下設(shè)備，但井下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備激增，井下網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度提高，故障率升高，通過(guò)仿真井下復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)境，確保井下網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可達(dá)性，滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)服務(wù)。

（2）基于NS-3開(kāi)源環(huán)境，搭建井下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)井下網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，提供定制化網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)建設(shè)的解決思路。使在用交換機(jī)或路由器的iOS系統(tǒng)，趨于實(shí)時(shí)仿真井下網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

（3）因井下交換機(jī)實(shí)際型號(hào)和NS-3中仿真交換機(jī)運(yùn)行的嵌入式操作系統(tǒng)存在差別，移植交換機(jī)操作系統(tǒng)，可在KVM環(huán)境運(yùn)行，即可在NS-3虛擬環(huán)境中使用，引入TSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對(duì)TSN硬件設(shè)備提出更高要求，需專(zhuān)用硬件設(shè)備進(jìn)行硬件仿真。仿真平臺(tái)搭建是逐步完善的過(guò)程，需不同交換機(jī)廠(chǎng)商和硬件廠(chǎng)商積極參與到設(shè)備虛擬化和軟件仿真定制化開(kāi)發(fā)。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊中心擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡(jiǎn)介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

刊載欄目：企業(yè)/團(tuán)隊(duì)/人物專(zhuān)訪(fǎng)政策解讀視角·觀(guān)點(diǎn)智能示范礦井對(duì)話(huà)革新·改造學(xué)術(shù)園地、專(zhuān)題報(bào)道等。

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期刊成果：創(chuàng)刊5年來(lái)，策劃出版了“中國(guó)煤科煤礦智能化成果”“陜煤集團(tuán)智能化建設(shè)成果”“聚焦煤炭工業(yè)‘十四五’高質(zhì)量發(fā)展”等特刊/專(zhuān)題30多期。主辦“煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會(huì)”“煤炭清潔高效利用先進(jìn)成果發(fā)布會(huì)”“《智能礦山》理事、特約編輯年會(huì)暨智能化建設(shè)論壇”“智能礦山零距離”“礦山智能化建設(shè)運(yùn)維與技術(shù)創(chuàng)新高新研修班”等活動(dòng)20余次。組建了理事會(huì)、特約編輯團(tuán)隊(duì)、卓越人物等千余人產(chǎn)學(xué)研用高端協(xié)同辦刊團(tuán)隊(duì)，打造了“刊-網(wǎng)-號(hào)-群-庫(kù)”全覆蓋的1+N全媒體傳播平臺(tái)，全方位發(fā)布礦山智能化領(lǐng)域新技術(shù)、新產(chǎn)品、新經(jīng)驗(yàn)。

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