工業以太網交換機在石油石化工程建設中的應用

曹雙慶 大慶 油田設計院

工業以太網交換機在石油石化工程建設中的應用

曹雙慶 大慶 油田設計院

工業以太網交換機是基于以太網技術且應用于工業通信網絡的交換機，伴隨物聯網技術開始廣泛應用于石油石化行業。工業以太網交換機以其對特殊應用環境的超強適應能力得到廣泛應用，但工業以太網交換機成本高限制了其在行業內的大量應用，針對不同工程，如何合理、靈活利用以太網交換機組網成為通信系統工程設計的重點。目前，兩種最常見的工業以太網交換機應用方式是與通用以太網交換機混合組網和與SDH傳輸設備混合組網。

石油石化；工業以太網交換機；信息化；數字化；物聯網；應用

近幾年，工業以太網交換機在石油石化行業通信網絡建設中的應用越來越廣泛，無論是長輸管道通信系統，礦區通信系統，還是各種工藝站場內部局域網、工業控制網等，幾乎都能見到工業以太網交換機，如何合理利用工業以太網交換機組網成為業界討論的熱門話題。

1 工業以太網交換機簡介

工業以太網交換機是基于以太網技術的工業通信網絡的基礎交換設備，是以太網交換機的一種。除此以外，常見的民用級和企業級以太網交換機統稱為通用以太網交換機。與通用以太網交換機相比，工業以太網交換機同樣基于IEEE 802.1、802.2、802.3等標準通信協議實現數據交換，因此兩者功能有差異但不大，其優勢主要在于某些技術指標要優于通用以太網交換機，且多采用模組化、模塊化設計，配置靈活，便于安裝，最重要的是它能適應多種應用條件，并能滿足石油石化行業對數據傳輸的一些特殊要求。

2 工業以太網交換機應用背景

（1）企業物聯網的迅速發展。在早期石油石化企業基礎網絡建設中，本地通信業務比較單一，多以組成本地辦公局域網為主，因此主要采用通用以太網交換機組網；長途通信雖然業務種類較多，但多種通訊協議混傳，因此主要采用SDH設備組網。然而，隨著電子信息技術的發展以及企業數字化、信息化管理的普及，基于TCP/IP通訊的物聯網技術開始廣泛應用于石油石化行業。除了傳統的企業管理、計算機辦公等IP數據以外，大量的語音、視頻、工業控制等數據均轉變成IP數據。無論是本地通信還是長途通信網絡所扮演的角色均逐步向物聯網轉變，而需要接入IP業務的點數大幅增加，加上工業以太網交換機制造技術的成熟、工業自動控制網絡的以太網化、多網合一的物聯網建設思路、SDH設備的高成本、通用以太網交換機適應能力有限等一系列因素，均加速了工業以太網交換機在石油石化行業中的應用步伐。

（2）石油石化行業特殊的應用環境。首先，傳統的Ethernet并不是為工業應用而設計的，石油石化行業的工況比較特殊，經常需要通信設備在諸如低溫、高溫、高海拔、高濕、嚴重電磁干擾、較差供電質量、鹽霧、強震等惡劣環境中能夠保持正常工作，通用以太網交換機根本不具備這些能力。同時，工業控制網絡必須滿足某些業務對網絡性能的較高要求，比如遠控、遠動及自控數據回傳等均要求網絡具有高可靠性、低延遲和零丟包等能力，這些能力亦是通用以太網交換機所不具備的。其次，企業以人為本的發展思路需要使用更健康環保的設備，如通信設備值班室里，常規通信設備風扇產生的噪聲嚴重影響值班人員的身心健康。最后，大量網絡設備要求低故障率以降低日常設備維護量。綜上所述，面對特殊工況，通用以太網交換機勢必被本行業淘汰出局，被更能適應石油石化行業特殊工況的工業以太網交換機替代。

3 工業以太網交換機應用

雖然工業以太網交換機相對于通用以太網交換機具有具大技術優勢，但相對于通用交換機其成本較高成為限制其大量應用的主因。在實際工程中，應用環境及通信業務種類、業務量、業務流向等是多變的，既要實現網絡系統功能，滿足特殊應用要求，同時又要兼顧系統綜合造價，提高系統性價比，因此，針對不同工程如何合理、靈活利用以太網交換機組網才是通信系統工程設計的重點。目前石油石化行業中，兩種最常見的工業以太網交換機應用方式是與通用以太網交換機混合組網和與SDH傳輸設備混合組網。以下通過兩個工程案例，分析石油石化行業中常見的工業以太網交換機應用方式。

3.1 代替通用以太網交換機

案例：某燃料油調和配送中心項目。該項目建設地點位于一個海島上，主要由重柴油罐區、燃料油罐區、重油罐區、辦公區、35／6 kV變電所、水處理區、消防站、碼頭等構成，廠區通信系統將做為工業電視監控、視頻周界、電話軟交換、SCADA數據傳輸、計算機辦公等系統的支撐網絡。整個廠區組網最大的難點是IP業務接入點位置比較分散，如果采用常規級聯方式組網，網絡結構勢必混亂而沒有層次，將大大增加廠區布線量及日常維護管理難度。而工業控制網絡的最大特點在于它必須滿足控制作用對實時性的要求，同時由于建設地點位于海島之上，對設備防鹽霧、防潮性能提出特殊要求。最終，本項目廠區通信系統采用了如圖1所示的組網方案。

圖1 廠區通信系統組網方案

該網絡分為辦公及生產網兩部分。辦公網采用通用以太網交換機組網并延續星型級聯結構；生產網則采用工業以太網交換機組網并以環形結構為主，輔以鏈型、星型結構。生產網與辦公網之間設防火墻以保障生產網絡安全。物聯網具有感知層、網絡層、應用層的3層體系結構，參照此種網絡結構進行詳細設計時，首先要把握重點業務的要求，即對于需要接入SCADA數據的節點必須在環形結構內，以保證SCADA數據傳輸的安全可靠，其他業務由于對數據傳輸的可靠性要求不高，接入時根據實際情況可置于環網結構之中，亦可以星形就近接入附近環網節點。同時利用二層VLAN劃分可將SCADA數據傳輸與視頻監控等其他系統業務數據進行通道隔離。由于現場工業以太網交換機數量較多，宜采用網管型設備組網，投產后可利用網管系統簡化及降低網管難度。總之，該方案簡化了布線結構、減少了布線量、降低了日常維護管理的難度，使環網節點數量可控，同時也有效控制了網絡建設成本。

3.2 代替部分SDH設備組網

案例：某天然氣管道建設項目。該項目建設地點位于新疆南部，由4條干線、19條支線構成，管道全長2 000多公里，全線共設置38座工藝站場、69座線路閥室。管道通信系統將作為工業電視監控、電話軟交換、SCADA數據傳輸、視頻會議、計算機辦公等系統的支撐網絡。該系統組網最大的難點是通信距離長，業務接入節點數量多，業務接入種類不均衡，如果參照以往設計，接入層全部采用SDH設備，對于業務接入種類單一且業務量小的節點勢必造成浪費，系統造價勢必大大增加，系統性價比大打折扣。同時，由于管道地處南疆沙漠地區，對設備防塵、抗高溫有特殊的要求。最終，管道通信系統采用了如圖2所示的SDH傳輸與工業以太網交換機混合組網的結構。

圖2SDH傳輸設備與工業以太網交換機混合組網方案

該網絡主干傳輸層采用基于MSTP的SDH設備組成，傳輸節點設在主要工藝站場，負責站場數據的集中接入及遠程傳輸；接入層則采用工業以太網交換機組網并以鏈形結構為主（實際上接口按環網配置）。參照此種網絡結構進行詳細設計時需要注意以下幾方面：首先，工業以太網交換機的環網檢測機制要采用類似于點對點握手的檢測機制才能實現此種網絡結構的環網保護；其次，如果閥室與工藝站場之間有業務數據交換（如視頻監控數據），SDH設備的以太網板應具有交換功能；最后，如果閥室SCADA數據需要獨立傳輸通道，可利用二層VLAN劃分實現與視頻監控數據隔離。與傳統全SDH設備組網方案相比，該方案在保證網絡遠程傳輸可靠性和安全性的同時，降低了成本，就目前市場價格來看，單個閥室可減少設備成本10萬以上，單個工藝站可減少板卡成本6萬以上，整個項目至少可減少成本900萬，提高了網絡系統性價比。

4 結語

由于工業以太網交換機采用TCP/IP通信協議，因此可以與多種具有以太網接口的網絡設備靈活組網。但工業以太網交換機畢竟是基于分組和幀交換技術進行存儲轉發的網絡設備，即使其最大傳輸速率可達到萬兆甚至更高，其最基本工作原理使其在數據傳輸保密性、安全性、可靠性方面有著先天的缺陷，因此，對于本行業來說，采用工業以太網交換機組建傳輸網絡的主干層時應該慎重考慮。就拿管道項目來說，部分接入層采用100/1 000工業以太網交換機代替STM—1/STM—4速率級別的SDH設備，無論是接入層還是主干層，當有多種遠動、遠控及保密業務需遠程混傳時，恰恰就不適合采用以太網交換機。某些設計人員經常因為所有業務數據是IP類型的，就全盤采用以太網交換機，而忽略了業務自身特殊需求。畢竟傳輸網絡最終是為業務數據傳輸服務的，因此采用工業以太網交換機組網時，對于不同的應用環境、不同的業務需求和業務量、不同工藝條件、不同的管理要求等應有所變化，只有充分理解各種需求，把握住設計重點，才能最大限度地發揮工業以太網交換機的作用，提高系統性價比。

（欄目主持李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.003