基于環(huán)網(wǎng)冗余工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的鋼鐵能源管控系統(tǒng)

楊曉帆

（北京交通大學理學院，北京 100044）

隨著計算機和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，工廠自動化領(lǐng)域迎來新的技術(shù)變革。以太網(wǎng)作為目前在管理信息系統(tǒng)中應用的主要技術(shù)，基于其性能價格比較高、建設方便迅速等優(yōu)勢，在工廠自動化和控制領(lǐng)域中得到了越來越多的應用〔1-2〕。鋼鐵行業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，不但是我國能源的生產(chǎn)大戶之一，也是能源消費大戶。能源管理項目EMS系統(tǒng)能幫助鋼鐵廠進行能源的優(yōu)化和集中式管理，實現(xiàn)在線能源生產(chǎn)全過程監(jiān)控和能源調(diào)度、優(yōu)化平衡，能源管理一體化運行，達到節(jié)能減排、降低成本、合理利用資源的目的〔3〕。工業(yè)以太網(wǎng)在其中連接了各個區(qū)域，形成網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲。

1 基于環(huán)網(wǎng)冗余的工業(yè)以太網(wǎng)設計

能源管控系統(tǒng)專用網(wǎng)絡采用工業(yè)以太網(wǎng)、中央核心交換網(wǎng)絡和標準客戶以太網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)，拓撲結(jié)構(gòu)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，在骨干傳輸網(wǎng)設計上采用1 000 M冗余“工業(yè)環(huán)網(wǎng)”設計。在匯聚層和核心層的互聯(lián)上，采用1 000 M光纖連接的方式；接入層采用100 M工業(yè)環(huán)網(wǎng)并上聯(lián)到匯聚層。

采用接入——匯聚——核心三層網(wǎng)絡架構(gòu)：

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

2）匯聚層：由20臺設備組成1 000 M工業(yè)環(huán)網(wǎng)以實現(xiàn)主干鏈路對鏈路故障的毫秒級自愈，在網(wǎng)絡節(jié)點較多的環(huán)境同時使用環(huán)網(wǎng)上聯(lián)節(jié)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(lián)，上聯(lián)采用百兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)，傳輸距離遠的采用無線設備遠程傳送數(shù)據(jù)。

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(guān)鍵網(wǎng)絡設備及工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)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(yè)以太網(wǎng)交換機提供的網(wǎng)絡端口上。在終端接入層互聯(lián)上，通過100 M光纖或是100Base-TX級聯(lián)。在下聯(lián)的PLC和終端設備上，通過100 M電口連接。

1.1調(diào)度大廳及機房設計調(diào)度中心核心網(wǎng)絡為冗余配置的1 000 M網(wǎng)絡，連接到光纖環(huán)網(wǎng)上。核心網(wǎng)絡上連接實時數(shù)據(jù)庫服務器、歷史數(shù)據(jù)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(wǎng)絡系統(tǒng)中的VLAN及路由等。

系統(tǒng)的各項任務按功能劃分分別運行在網(wǎng)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(wǎng)絡共享服務器資源?；谶@種框架的系統(tǒng)網(wǎng)絡可合理利用網(wǎng)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(tǒng)癱瘓問題，保證系統(tǒng)上層網(wǎng)絡高速穩(wěn)定運行。

1.2現(xiàn)場接入網(wǎng)絡設計現(xiàn)場接入網(wǎng)絡設計采用模塊化千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機，依據(jù)地理位置的不同，構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集千兆光纖環(huán)網(wǎng)及多個百兆光纖環(huán)網(wǎng)〔5〕。主干網(wǎng)絡節(jié)點采用單模光纖，構(gòu)成全廠千兆光纖環(huán)網(wǎng)。

工業(yè)環(huán)網(wǎng)的主干節(jié)點按照新興鑄管廠區(qū)分布圖、現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡和新建數(shù)據(jù)采集站的分布進行統(tǒng)一規(guī)劃，主干節(jié)點要設置在數(shù)據(jù)采集站所的中心區(qū)域，使得各采集站所到主干節(jié)點的距離最短，同時又能兼顧到全廠的各個角落。

光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用點到點的鏈路組成，因為點到點的光纖傳輸技術(shù)最為成熟，所以光纖環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)最普遍〔6〕。在這種結(jié)構(gòu)中，光纖的延遲小，易于配置很多站點的環(huán)網(wǎng)和高速環(huán)網(wǎng)。

現(xiàn)場光纖環(huán)網(wǎng)采用模塊化千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機，主干網(wǎng)絡節(jié)點采用單模光纖，構(gòu)成一個千兆光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)〔7〕。環(huán)網(wǎng)技術(shù)采用光纖鏈路冗余的功能，當光纖鏈路發(fā)生一處斷路的情況下，數(shù)據(jù)通訊會在50毫秒內(nèi)切換到冗余鏈路上，整個數(shù)據(jù)的傳輸和控制不會受到影響，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

1.3網(wǎng)絡管理隨著用戶網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大，網(wǎng)絡設備數(shù)量的不斷增加，種類的不斷增加，必然增加網(wǎng)絡管理人員的維護和管理網(wǎng)絡的負擔，同時也增加了運維的成本和開銷，因此網(wǎng)絡管理是保持鋼鐵企業(yè)網(wǎng)絡高效運行的一個關(guān)鍵〔8〕，通過網(wǎng)管軟件，可以實現(xiàn)對全網(wǎng)設備進行統(tǒng)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(wǎng)絡監(jiān)控軟件安裝在網(wǎng)絡管理客戶機上，網(wǎng)絡管理客戶機與核心交換機相連，負責管理整個網(wǎng)絡的交換機設備。該軟件通過LLDP邏輯鏈路自動發(fā)現(xiàn)協(xié)議，自動識別基于LLDP協(xié)議的網(wǎng)絡架構(gòu)，如STP、RSTP、HIPER-Ring、Redundant Ringcoupling、Link Aggregation等，也能夠發(fā)現(xiàn)不支持LLDP協(xié)議的終端設備，實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲可視化。物理的或邏輯的或是兩者的結(jié)合均可在一個項目中同時表示出來，在地圖上可手動調(diào)整、優(yōu)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(jié)構(gòu)那樣瀏覽網(wǎng)絡拓撲和網(wǎng)絡設備列表，適合于網(wǎng)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(wǎng)絡狀況，診斷網(wǎng)絡故障和減輕網(wǎng)絡配置的工作量，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡安全隱患。同時軟件采用開放的框架，具有較好的系統(tǒng)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(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)采用VLAN（虛擬局域網(wǎng)）技術(shù)，根據(jù)需要靈活地將不同的用戶和應用加入對應的邏輯子網(wǎng)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(chǎn)生的廣播風暴，可以極大地提高網(wǎng)段的安全性和性能。因此，局域網(wǎng)日常辦公區(qū)與局域網(wǎng)數(shù)據(jù)中心監(jiān)控區(qū)兩個基本區(qū)域劃分成不同的子網(wǎng)，以分割信息交互，保證調(diào)度中心內(nèi)部網(wǎng)絡的安全性。

VLAN技術(shù)將網(wǎng)絡分為幾個不同的廣播組，網(wǎng)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(jīng)允許而訪問VLAN中的應用，保證網(wǎng)絡上信息的安全傳送。通過功能劃分各個VLAN，保證各個網(wǎng)段只能在網(wǎng)管中心的控制下進行有限的互相訪問，保證關(guān)鍵子網(wǎng)上應用的安全性、保密性。

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

通過簡單的技術(shù)手段可以實現(xiàn)VLAN的劃分，網(wǎng)絡管理員可以在網(wǎng)管系統(tǒng)上方便的配置VLAN通信、監(jiān)控網(wǎng)絡流量、VLAN使用的網(wǎng)絡帶寬，設置網(wǎng)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(wǎng)絡規(guī)劃分為8個Vlan，如下：服務器區(qū)、操作員站區(qū)、電力采集站區(qū)、煤氣采集站區(qū)、給排水采集站區(qū)、動力采集站區(qū)、視頻采集站區(qū)。

1.5 IP地址規(guī)劃IP地址方案的設計至關(guān)重要，好的IP地址方案不僅可以減少網(wǎng)絡負荷，還能為以后的網(wǎng)絡擴展打下良好的基礎(chǔ)。IP地址規(guī)劃對于網(wǎng)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(wǎng)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(xù)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(wǎng)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(wǎng)絡擴展的復雜性，簡化路由表的款項；

3）連續(xù)性：連續(xù)地址在層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)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(wǎng)絡規(guī)模擴展時能保證地址疊合所需的連續(xù)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(yōu)化，充分利用地址空間。

2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場采集站接入設計

現(xiàn)場采集站點以子環(huán)網(wǎng)加星型網(wǎng)絡的方式接入核心層交換機，采集站點就近接入子環(huán)網(wǎng)交換機或直接接入核心層交換機〔9〕。

2.1電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)入網(wǎng)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(tǒng)改造后，均配有電力通信管理機。通信管理機具備IEC 101/104規(guī)約，并過以太網(wǎng)口輸出。電力系統(tǒng)的入網(wǎng)方案采用通信管理的IEC 101/104以太網(wǎng)口接入能源主干網(wǎng)子站交換機，SCADA服務器配有IEC 101/104通信驅(qū)動。見圖1。

圖1 SCADA服務器

2.2空壓站、水泵房數(shù)據(jù)入網(wǎng)硬件接口：現(xiàn)場I/O信號通過硬接線的方式直接接入現(xiàn)場數(shù)采站，見圖2。

圖2 水泵站數(shù)據(jù)入網(wǎng)

數(shù)采站I/O站配置規(guī)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(tǒng)；

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(qū)動輸出設備；

3）開關(guān)量輸入模塊設計采用16通道干接點輸入模塊；

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

5）系統(tǒng)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(xié)議：現(xiàn)場數(shù)采站與能源中心實時數(shù)據(jù)庫采用TCP/IP協(xié)議通訊。由于采集站沒有控制系統(tǒng)，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(wǎng)。

2.3動力系統(tǒng)數(shù)據(jù)入網(wǎng)動力系統(tǒng)數(shù)據(jù)（風、氣、汽），多是從站控系統(tǒng)后臺接入采用OPC協(xié)議完成的數(shù)據(jù)采集，通過在現(xiàn)場部署數(shù)采站，每一臺數(shù)采站上的數(shù)據(jù)采集器軟件連接多套DCS或PLC控制系統(tǒng)。再通過OPC協(xié)議將數(shù)據(jù)通過光纖環(huán)網(wǎng)接入能源系統(tǒng)服務器。見圖3。

圖3 動力系統(tǒng)入網(wǎng)

2.4與其它信息系統(tǒng)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(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，路由采用交換機端口路由的方式通訊。EMS系統(tǒng)的Web服務器和應用服務器通過防火墻掛接到全廠辦公網(wǎng)絡上，確保主干網(wǎng)絡安全。能源中心的管理計算機應設置在辦公網(wǎng)絡上，通過統(tǒng)一的路由端口訪問應用服務器。

3 結(jié)束語

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

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