基于GEPON的鋼鐵廠配電綜合自動化平臺設(shè)計

姜玉春

(山東鋼鐵集團 萊鋼自動化部，山東 萊蕪271104)

隨著國家經(jīng)濟的宏觀調(diào)控，鋼鐵企業(yè)已經(jīng)由過去的落后的生產(chǎn)方式向新型高效的自動化方向邁進。自動化水平已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展的重要保證。建立一個穩(wěn)定，高效的信息傳輸平臺對鋼鐵企業(yè)的建設(shè)具有重大的戰(zhàn)略意義。我國冶金行業(yè)的自動化系統(tǒng)也早已由單主機形式發(fā)展到現(xiàn)在的高度網(wǎng)絡(luò)化和集成化的階段。要求各個子系統(tǒng)之間的信息可以無縫的對接到中央管理系統(tǒng)，實現(xiàn)信息的遠程管理和共享，這極大的提高了鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)效率和安全系數(shù)。但由于工業(yè)冶煉現(xiàn)場環(huán)境惡劣、用電設(shè)備的特殊性，使得信息傳輸?shù)臅r效性必須得到有效的保證。因此，設(shè)計一套基于新型、高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺的綜合自動化系統(tǒng)勢在必行。本文即設(shè)計了一種基于GEPON網(wǎng)絡(luò)的綜合自動化系統(tǒng)的平臺。

1 鋼鐵廠供配電系統(tǒng)的特點

1.1 用電負荷高，穩(wěn)定性要求高

鋼鐵廠的很多生產(chǎn)設(shè)備以及供配電設(shè)備，都具有高負荷、持續(xù)作業(yè)等特點,如果由于供配電管理不善導(dǎo)致電壓突變或斷電的發(fā)生,會影響到設(shè)備的使用甚至正常的生產(chǎn)。而且很多電力器件如IGBT是一種很敏感的壓控器件,開通和關(guān)斷都需要一段時間才能完成，如果命令發(fā)出不及時就會造成被控設(shè)備的誤動作。因此,鋼鐵廠的供配電系統(tǒng)必須具有足夠的穩(wěn)定性,才能有效保障企業(yè)正常生產(chǎn)。

1.2 用電設(shè)備為高壓，高負荷運轉(zhuǎn)

鋼鐵廠中用電設(shè)備較多，不僅有高電壓，大功率的生產(chǎn)設(shè)備,還有如照明、空調(diào)的辦公設(shè)備。因此,鋼鐵廠的供電電壓需要根據(jù)不同的用電設(shè)備劃分成多個等級，這就要求有一個復(fù)雜的供配電系統(tǒng)用以保證各系統(tǒng)的正常運行。并且不同的供電設(shè)備其保護裝置的方式、方法不盡相同。而且各種功能都需要依靠計算機自動化系統(tǒng)來實現(xiàn)。

1.3 供配電設(shè)備與其他設(shè)備聯(lián)系密切

由于鋼鐵企業(yè)供配電設(shè)備為保證設(shè)備的正常運行的大多使用了DCS系統(tǒng)。供配電系統(tǒng)和能源系統(tǒng)以及變電所之間也有密切聯(lián)系。而且鋼鐵廠很多如電力變壓器等供電設(shè)備都連接著DCS系統(tǒng),而這些設(shè)備都具備遙控、閉鎖、通訊、保護、邏輯等操作功能。因此，供電系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場的控制設(shè)備有密切關(guān)系,供配電系統(tǒng)會實時傳送系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)到集控系統(tǒng)中,以供分析、控制。

2 方案的選擇

2.1 方案的比較

當前，我國鋼鐵冶金行業(yè)配電網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)主要有兩種:基于工業(yè)以太網(wǎng)信息傳輸系統(tǒng)和基于GEPON的傳輸系統(tǒng)。本設(shè)計采用GEPON(Gigabit Ethernet passive optical Network，千兆無源光纖以太網(wǎng))技術(shù)。

工業(yè)用GEPON針對環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場有很多優(yōu)良特性：實現(xiàn)了點到多點的傳輸、帶寬較大且可動態(tài)分配解決了帶寬瓶頸問題，設(shè)備采用無源器件使得系統(tǒng)工作穩(wěn)定,易于安裝維護,故障率低，同時平臺建設(shè)成本低、組網(wǎng)靈活,易于擴展,數(shù)據(jù)可以通過工業(yè)太網(wǎng)技術(shù)傳輸,適合于綜合傳輸視頻、數(shù)據(jù)等信息,適合作為綜合信息系統(tǒng)的高速主干傳輸平臺。

2.2 GEPON網(wǎng)絡(luò)的組成

GEPON網(wǎng)絡(luò)主要由OLT（光線路終端）、POS（無緣分光器）和ONU（網(wǎng)絡(luò)終端）組成：

OLT：OLT是GEPON系統(tǒng)的核心設(shè)備，在系統(tǒng)啟動時OLT負責發(fā)起對光分配網(wǎng)絡(luò)接口和ONU的注冊和控制測距，并記錄相關(guān)信息。而后對每個注冊的ONU分配帶寬；系統(tǒng)運行過程中，在下行方向上將集控中心的指令發(fā)送到下層的ONU并最終送至各底層用電設(shè)備。在上行方向各ONU數(shù)據(jù)經(jīng)TDMA技術(shù)通過OLT將信息傳入到中央控制室。

POS：POS是連接OLT和ONU的橋梁，負責GEPON系統(tǒng)中光功率的分配。通常情況下POS的分線率為2、4、8、16且各POS間可以進行級聯(lián)以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需要。

ONU：它負責將各個底層用電設(shè)備接入到傳輸平臺中，并與上層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換，使各信息快速穩(wěn)定的在系統(tǒng)中進行傳遞。在下行方向上ONU的主要作用是接收OLT發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)至對應(yīng)的；在上行方向?qū)⒃O(shè)備所報送的數(shù)據(jù)在OLT分配的發(fā)送窗口中發(fā)送。

2.3 工作原理

GEPON遵循IEEE802.3協(xié)議，每次可傳送1518字節(jié)的信息。GEPON網(wǎng)絡(luò)在上行與下行方向上信息傳輸過程有較大的不同：

如圖1所示：

圖1 GEPON網(wǎng)絡(luò)的傳輸流程圖Fig.1 The transmission process of GEPON network

下行方向，數(shù)據(jù)傳輸波長為1490nm。在傳輸過程中OLT會將允許接入的時間等信息在各個端口上進行廣播。同時為每個ONU分配一個單獨鏈路地址，用以將其去其他ONU進行區(qū)分。在由上至下的過程中數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送，其最大長度為1518個字節(jié)，每個數(shù)據(jù)包的前面會標識目的ONU的地址。此外，ONU只會接受標識為自身的信息而將其他信息忽略。

上行方向，所有ONU共享上傳帶寬,并采用1310nm波長。在ONU注冊成功之后，OLT會采用動態(tài)帶寬分配（DBA）通過特定的算法為每個ONU動態(tài)分配上行帶寬。而且GEPON系統(tǒng)采用TDMA技術(shù)將多個ONU的數(shù)據(jù)組織成一個信息流傳送至OLT中以確保數(shù)據(jù)傳輸過程中ONU發(fā)送數(shù)據(jù)不發(fā)生沖突。這樣可以保證數(shù)據(jù)在上行過程中穩(wěn)定高效的傳輸。

2.4 GEPON組網(wǎng)方式

GEPON網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)靈活的特點，可以將各種基本的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行有機的整合以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的組網(wǎng)要求。在GEPON中基本的拓撲結(jié)構(gòu)有環(huán)形、總線型、星形。在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的具體情況以最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為原則來選擇具體的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。這可以利用分光器的不同分光比實現(xiàn)。在工程應(yīng)用一般會選擇兩種或以上的組合形式。使搭建的網(wǎng)路具有冗余安全，高效穩(wěn)定的特性。

其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2、圖3、圖4所示。

3 GEPON網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計

圖2 樹形網(wǎng)絡(luò)Fig.2 tree network

圖3 星形網(wǎng)絡(luò)Fig.3 start-type network

圖4 總線型網(wǎng)絡(luò)Fig.4 bus network

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

通過GEPON網(wǎng)絡(luò)可以將分散在各子系統(tǒng)中的的數(shù)據(jù)實時以最高可達1000M/s的傳輸速度通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行模瑢崿F(xiàn)信息的集中管理和共享。其傳輸速度和質(zhì)量均滿足鋼鐵廠自動化系統(tǒng)的傳輸要求。而且GEPON網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)使得光纖鏈路上的損壞點不會對系統(tǒng)的整體產(chǎn)生重大的影響。

由于鋼鐵企業(yè)配電系統(tǒng)覆蓋地域廣、涉及到的子系統(tǒng)較多，顧本次設(shè)計擬采用雙環(huán)回路進行GEPON網(wǎng)絡(luò)的搭建，以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)、圖像等信息的傳輸穩(wěn)定、高效。

如圖5為礦山綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

3.1.1 ONU的布置

ONU將各子系統(tǒng)信息接入到傳輸平臺中。它主要配布置于測控裝置，變壓器等重要場所，以便于信息及時傳輸和保護設(shè)備的穩(wěn)定的運行。同時將各子系統(tǒng)和數(shù)字工業(yè)電視系統(tǒng)、語音系統(tǒng)傳輸?shù)郊刂行慕y(tǒng)一調(diào)度監(jiān)測。

3.1.2 OLT的布置

OLT是GEPON網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，應(yīng)將OLT布置于中心機房內(nèi)。而且為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。本設(shè)計擬采用2臺OLT形成1：1的冗余備份，并OLT之間使用設(shè)備冗余器進行協(xié)調(diào)切換，當一個OLT工作出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸情況進行設(shè)備切換，以保證網(wǎng)絡(luò)不間斷工作，使重要數(shù)據(jù)不致丟失。

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)的管理

系統(tǒng)通過串口服務(wù)器對整個網(wǎng)絡(luò)進行管理。使網(wǎng)絡(luò)具備自動模式和手動模式可在系統(tǒng)正常運行時使用自動模式而在維護和檢修以及需要擴展時進入手動模式，而不影響正常的網(wǎng)絡(luò)功能，網(wǎng)絡(luò)還備有冗余以太網(wǎng)和串行傳輸接口，用于對系統(tǒng)升級。

圖5 鋼鐵廠配電綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The architecture of the integrated automation system of distribution diagram of steel factory

3.2 軟件平臺的設(shè)計

3.2.1 軟件系統(tǒng)的集成

軟件平臺建設(shè)是綜合自動化系統(tǒng)集成的重要內(nèi)容，它可以保證不同系統(tǒng)信息能夠在一個統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺上進行聯(lián)通與共享，使各系統(tǒng)協(xié)調(diào)有序運行。而且用戶還可基于此平臺進行二次開發(fā)。

該平臺的建設(shè)采用了SCADA軟件，基于OPC等軟件接口技術(shù)搭建統(tǒng)一的軟件監(jiān)控平臺。通過軟件平臺的集成，將上位機的界面整合開發(fā)為一套綜合的HMI，可以在每個子系統(tǒng)之間進行切換，以實現(xiàn)對整個供配電狀況進行集中分析、協(xié)調(diào)運作。有權(quán)限的用戶可以通過調(diào)取現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)時同時查看相應(yīng)的視頻監(jiān)控，以便能更好的監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運行和統(tǒng)籌安排生產(chǎn)調(diào)度。

最后為統(tǒng)一調(diào)度指揮生產(chǎn)，系統(tǒng)還可以將所采集、處理得到的數(shù)據(jù)發(fā)布的Internet上供有權(quán)限的用戶進行查詢和管理。而且充分考慮系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全性，系統(tǒng)具有較強的身份認證機制、完善的日志、數(shù)據(jù)備份和病毒防護等功能。

圖6為系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖。

圖6 軟件架構(gòu)圖Fig.6 Software architecture diagram

3.3 子系統(tǒng)的接入

3.3.1 視頻系統(tǒng)的接入

目前數(shù)字視頻系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用使得圖像傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性有了很大的提高；其次，數(shù)字視頻可借助網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，節(jié)省了建設(shè)的成本；使得系統(tǒng)的升級也更加的方便。根據(jù)鋼鐵廠的實際安裝要求可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況將視頻攝像設(shè)備就近接入ONU中進行信息的傳輸。

3.3.2 數(shù)據(jù)設(shè)備的接入

將變壓器、電力測控設(shè)備的信息經(jīng)接入GEPON網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測和控制，并對相應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)在綜合處理平臺上進行保存和處理。

4 結(jié)語

本文基于GEPON接入技術(shù)設(shè)計了一套鋼鐵廠配電自動化系統(tǒng)。GEPON系統(tǒng)采用以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)還可以與地面的互聯(lián)網(wǎng)進行無縫的對接，形成一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)而不需要進行格式間的轉(zhuǎn)換。這樣提高了系統(tǒng)的運行效率和管理的成本?？梢院芎玫募筛鱾€子系統(tǒng)，從而可以更好的提高通信的速度和傳輸?shù)姆€(wěn)定性還可以達到節(jié)省傳輸線路鋪設(shè)和維護費用的目的。

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