基于環網冗余工業以太網技術的鋼鐵能源管控系統

楊曉帆

（北京交通大學理學院，北京 100044）

隨著計算機和網絡技術的發展，工廠自動化領域迎來新的技術變革。以太網作為目前在管理信息系統中應用的主要技術，基于其性能價格比較高、建設方便迅速等優勢，在工廠自動化和控制領域中得到了越來越多的應用〔1-2〕。鋼鐵行業是我國國民經濟的支柱產業，不但是我國能源的生產大戶之一，也是能源消費大戶。能源管理項目EMS系統能幫助鋼鐵廠進行能源的優化和集中式管理，實現在線能源生產全過程監控和能源調度、優化平衡，能源管理一體化運行，達到節能減排、降低成本、合理利用資源的目的〔3〕。工業以太網在其中連接了各個區域，形成網絡拓撲結構，實現實時數據的采集、傳輸和存儲。

1 基于環網冗余的工業以太網設計

能源管控系統專用網絡采用工業以太網、中央核心交換網絡和標準客戶以太網的三層結構，拓撲結構采用環形結構，在骨干傳輸網設計上采用1 000 M冗余“工業環網”設計。在匯聚層和核心層的互聯上，采用1 000 M光纖連接的方式；接入層采用100 M工業環網并上聯到匯聚層。

采用接入——匯聚——核心三層網絡架構：

1）核心層：由兩臺三層網管交換機組成，通過熱備思想實現核心網絡冗余；核心層設備和匯聚層通過1 000 M光纖互聯；

2）匯聚層：由20臺設備組成1 000 M工業環網以實現主干鏈路對鏈路故障的毫秒級自愈，在網絡節點較多的環境同時使用環網上聯節點交換機做進一步匯聚；

3）接入層：接入層到匯聚層之間采用100 M上聯，上聯采用百兆工業環網，傳輸距離遠的采用無線設備遠程傳送數據。

設計采用2臺三層交換機作為核心管理交換機，所有服務器、關鍵網絡設備及工業光纖環網交換機將連接到核心交換機的千兆端口上〔4〕。操作站、打印機連接到另外2臺24口10/100Base-TX工業以太網交換機提供的網絡端口上。在終端接入層互聯上，通過100 M光纖或是100Base-TX級聯。在下聯的PLC和終端設備上，通過100 M電口連接。

1.1調度大廳及機房設計調度中心核心網絡為冗余配置的1 000 M網絡，連接到光纖環網上。核心網絡上連接實時數據庫服務器、歷史數據庫服務器、應用服務器、視頻服務器、Web服務器、備份服務器、GPS時鐘對時裝置等。交換機還用于管理整個網絡系統中的VLAN及路由等。

系統的各項任務按功能劃分分別運行在網絡中不同的服務器中，并對重要的功能服務器采用冗余配置，其它客戶端通過網絡共享服務器資源。基于這種框架的系統網絡可合理利用網絡資源，減輕了單臺服務器的工作和通訊負荷，同時也可避免由于單臺服務器的故障而導致的系統癱瘓問題，保證系統上層網絡高速穩定運行。

1.2現場接入網絡設計現場接入網絡設計采用模塊化千兆工業以太網交換機，依據地理位置的不同，構成一個數據采集千兆光纖環網及多個百兆光纖環網〔5〕。主干網絡節點采用單模光纖，構成全廠千兆光纖環網。

工業環網的主干節點按照新興鑄管廠區分布圖、現有的數據采集網絡和新建數據采集站的分布進行統一規劃，主干節點要設置在數據采集站所的中心區域，使得各采集站所到主干節點的距離最短，同時又能兼顧到全廠的各個角落。

光纖環網結構采用點到點的鏈路組成，因為點到點的光纖傳輸技術最為成熟，所以光纖環網的結構最普遍〔6〕。在這種結構中，光纖的延遲小，易于配置很多站點的環網和高速環網。

現場光纖環網采用模塊化千兆工業以太網交換機，主干網絡節點采用單模光纖，構成一個千兆光纖環網結構〔7〕。環網技術采用光纖鏈路冗余的功能，當光纖鏈路發生一處斷路的情況下，數據通訊會在50毫秒內切換到冗余鏈路上，整個數據的傳輸和控制不會受到影響，確保了數據傳輸的實時性。

1.3網絡管理隨著用戶網絡規模的不斷擴大，網絡設備數量的不斷增加，種類的不斷增加，必然增加網絡管理人員的維護和管理網絡的負擔，同時也增加了運維的成本和開銷，因此網絡管理是保持鋼鐵企業網絡高效運行的一個關鍵〔8〕，通過網管軟件，可以實現對全網設備進行統一的維護管理，大大減輕了維護人員的工作量，也大大減少了運維的成本和開銷。

本項目配置赫思曼公司的Industrial Hi Vision圖形化網絡監控軟件安裝在網絡管理客戶機上，網絡管理客戶機與核心交換機相連，負責管理整個網絡的交換機設備。該軟件通過LLDP邏輯鏈路自動發現協議，自動識別基于LLDP協議的網絡架構，如STP、RSTP、HIPER-Ring、Redundant Ringcoupling、Link Aggregation等，也能夠發現不支持LLDP協議的終端設備，實現網絡拓撲可視化。物理的或邏輯的或是兩者的結合均可在一個項目中同時表示出來，在地圖上可手動調整、優化設備的物理未知可手動配置的連接。安裝快捷使用簡便，用戶可以像瀏覽文件夾結構那樣瀏覽網絡拓撲和網絡設備列表，適合于網絡管理員和安全管理員的管理工具，操作方便，功能實用，能夠幫助管理員快速了解當前的網絡狀況，診斷網絡故障和減輕網絡配置的工作量，發現網絡安全隱患。同時軟件采用開放的框架，具有較好的系統擴展能力，能夠擴展多種設備類型和其他管理工具。

1.4 VLAN劃分整個新興鑄管EMS系統工業網絡系統采用VLAN（虛擬局域網）技術，根據需要靈活地將不同的用戶和應用加入對應的邏輯子網中。一個VLAN中的廣播風暴不會送到VLAN之外，也不會收到其他VLAN產生的廣播風暴，可以極大地提高網段的安全性和性能。因此，局域網日常辦公區與局域網數據中心監控區兩個基本區域劃分成不同的子網，以分割信息交互，保證調度中心內部網絡的安全性。

VLAN技術將網絡分為幾個不同的廣播組，網絡管理員可將被保護的應用程序和資源置于安全性VLAN中，禁止未經允許而訪問VLAN中的應用，保證網絡上信息的安全傳送。通過功能劃分各個VLAN，保證各個網段只能在網管中心的控制下進行有限的互相訪問，保證關鍵子網上應用的安全性、保密性。

基于同樣的原理，系統管理員還可以對各個VLAN的因特網訪問權限進行設置。如客戶發布信息等應用可以分配較大的帶寬等。

通過簡單的技術手段可以實現VLAN的劃分，網絡管理員可以在網管系統上方便的配置VLAN通信、監控網絡流量、VLAN使用的網絡帶寬，設置網絡用戶的安全性。

Vlan的劃分按照應用要求而定，新興鑄管EMS網絡規劃分為8個Vlan，如下：服務器區、操作員站區、電力采集站區、煤氣采集站區、給排水采集站區、動力采集站區、視頻采集站區。

1.5 IP地址規劃IP地址方案的設計至關重要，好的IP地址方案不僅可以減少網絡負荷，還能為以后的網絡擴展打下良好的基礎。IP地址規劃對于網絡的應用效率、可維護性和可擴展性等方面都有很大影響，因此合理的IP地址分配是網絡設計的重要目標之一。通常IP地址分配有要考慮的原則包括唯一性、連續性、可擴充性、靈活性、可治理性、安全性等。具體分配時要遵循以下原則。

1）唯一性：一個IP網絡中不能有兩個主機采用相同的IP地址；

2）簡單性：地址分配應簡單易于治理，降低網絡擴展的復雜性，簡化路由表的款項；

3）連續性：連續地址在層次結構網絡中易于進行路徑疊合，大大縮減路由表，提高路由算法的效率；

4）可擴展性：地址分配在每一層次上都要留有余量，在網絡規模擴展時能保證地址疊合所需的連續性；

5）靈活性：地址分配應具有靈活性，以滿足多種路由策略的優化，充分利用地址空間。

2 基于工業以太網的現場采集站接入設計

現場采集站點以子環網加星型網絡的方式接入核心層交換機，采集站點就近接入子環網交換機或直接接入核心層交換機〔9〕。

2.1電力系統數據入網新興鑄管EMS項目中涉及到的47個高壓配電室通過電力系統改造后，均配有電力通信管理機。通信管理機具備IEC 101/104規約，并過以太網口輸出。電力系統的入網方案采用通信管理的IEC 101/104以太網口接入能源主干網子站交換機，SCADA服務器配有IEC 101/104通信驅動。見圖1。

圖1 SCADA服務器

2.2空壓站、水泵房數據入網硬件接口：現場I/O信號通過硬接線的方式直接接入現場數采站，見圖2。

圖2 水泵站數據入網

數采站I/O站配置規范如下：

1）模擬量輸入設計采用8通道隔離模塊，所有AI信號（4～20 mA）都通過隔離器進入控制系統；

2）模擬量輸出設計采用8通道隔離模塊，所有AO信號（4～20 mA）都通過隔離器驅動輸出設備；

3）開關量輸入模塊設計采用16通道干接點輸入模塊；

4）開關量輸出模塊設計采用8通道/16通道繼電器數字量輸出模塊，輸出通道相互隔離，每個通道可以驅動250VAC或30VDC；

5）系統設計考慮EMS的擴展，每個子站I/O信號采集模塊留有余量。

其通信協議：現場數采站與能源中心實時數據庫采用TCP/IP協議通訊。由于采集站沒有控制系統，而且信號較多，如果采用電纜直接采集進附件采集站，成本較高，因此采用光纖接入到子站交換機，再由交換機能源網。

2.3動力系統數據入網動力系統數據（風、氣、汽），多是從站控系統后臺接入采用OPC協議完成的數據采集，通過在現場部署數采站，每一臺數采站上的數據采集器軟件連接多套DCS或PLC控制系統。再通過OPC協議將數據通過光纖環網接入能源系統服務器。見圖3。

圖3 動力系統入網

2.4與其它信息系統的通訊設計能源中心將配置硬件防火墻，用于與ERP等其它信息系統的數據交換，路由采用交換機端口路由的方式通訊。EMS系統的Web服務器和應用服務器通過防火墻掛接到全廠辦公網絡上，確保主干網絡安全。能源中心的管理計算機應設置在辦公網絡上，通過統一的路由端口訪問應用服務器。

3 結束語

新興鑄管能源管控中心系統最終將為企業能源安全生產、科學調度、節能降耗發揮直接的作用。以工業以太網為平臺，能源管理系統能對全廠進行實時數據采集，且采集到的數據具有高度的時效性。以這些數據為基礎，對全廠的能源進行自動化管理，達到了節能減排的目的。目前，國際上已經有一些公司面向自動化工廠推出了基于工業以太網的自動化解決方案，稱為“透明工廠”〔10〕。因此，隨著技術水平的不斷進步，工業以太網的應用范圍會越來越大，發展前途也會越來越廣闊。

〔1〕楊金奇，劉學軍.工業以太網技術及其應用現狀與發展〔J〕.四川工業學院學報，2002，21（3）：34-37.

〔2〕Jonas Berge.Using Ethernet is a No-brainer〔M〕.ISA：In-Tech，2000.

〔3〕白國華，賈敬臣.工業以太網在火力發電廠的應用〔J〕.華電技術，2009，31（3）：33-37.

〔4〕趙宏.以太網交換技術〔J〕.遼寧大學學報，2000，27（2）：182-186.

〔5〕郭芳瑞.淺談現場總線控制系統與集散控制系統〔J〕.現代電子技術，2003，26（14）：35-38.

〔6〕胡錫春，李小凱.工業以太網在污水處理中的應用〔J〕.工業控制計算機，2009，22（11）：11-12.

〔7〕夏鋒，孫優賢.工業以太網應用性能分析〔J〕.電氣自動化，2004（2）：40-43.

〔8〕馮冬芹，金建祥，褚鍵.淺談以太網應用于工業現場的關鍵技術〔J〕.世界儀表與自動化，2002（4）：8-13.

〔9〕繆學勤.工業以太網技術最新發展〔J〕.電氣時代，2004（2）：24-29.

〔10〕唐濤.電力系統廠站自動化技術的發展與展望〔J〕.電力系統自動化，2004，28（4）：92-97.