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

石油石化；工業(yè)以太網(wǎng)交換機；信息化；數(shù)字化；物聯(lián)網(wǎng)；應用

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

1 工業(yè)以太網(wǎng)交換機簡介

工業(yè)以太網(wǎng)交換機是基于以太網(wǎng)技術的工業(yè)通信網(wǎng)絡的基礎交換設備，是以太網(wǎng)交換機的一種。除此以外，常見的民用級和企業(yè)級以太網(wǎng)交換機統(tǒng)稱為通用以太網(wǎng)交換機。與通用以太網(wǎng)交換機相比，工業(yè)以太網(wǎng)交換機同樣基于IEEE 802.1、802.2、802.3等標準通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，因此兩者功能有差異但不大，其優(yōu)勢主要在于某些技術指標要優(yōu)于通用以太網(wǎng)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(yè)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恍┨厥庖蟆?/p>

2 工業(yè)以太網(wǎng)交換機應用背景

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

（2）石油石化行業(yè)特殊的應用環(huán)境。首先，傳統(tǒng)的Ethernet并不是為工業(yè)應用而設計的，石油石化行業(yè)的工況比較特殊，經(jīng)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(huán)境中能夠保持正常工作，通用以太網(wǎng)交換機根本不具備這些能力。同時，工業(yè)控制網(wǎng)絡必須滿足某些業(yè)務對網(wǎng)絡性能的較高要求，比如遠控、遠動及自控數(shù)據(jù)回傳等均要求網(wǎng)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(wǎng)交換機所不具備的。其次，企業(yè)以人為本的發(fā)展思路需要使用更健康環(huán)保的設備，如通信設備值班室里，常規(guī)通信設備風扇產(chǎn)生的噪聲嚴重影響值班人員的身心健康。最后，大量網(wǎng)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(wǎng)交換機勢必被本行業(yè)淘汰出局，被更能適應石油石化行業(yè)特殊工況的工業(yè)以太網(wǎng)交換機替代。

3 工業(yè)以太網(wǎng)交換機應用

雖然工業(yè)以太網(wǎng)交換機相對于通用以太網(wǎng)交換機具有具大技術優(yōu)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(huán)境及通信業(yè)務種類、業(yè)務量、業(yè)務流向等是多變的，既要實現(xiàn)網(wǎng)絡系統(tǒng)功能，滿足特殊應用要求，同時又要兼顧系統(tǒng)綜合造價，提高系統(tǒng)性價比，因此，針對不同工程如何合理、靈活利用以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)才是通信系統(tǒng)工程設計的重點。目前石油石化行業(yè)中，兩種最常見的工業(yè)以太網(wǎng)交換機應用方式是與通用以太網(wǎng)交換機混合組網(wǎng)和與SDH傳輸設備混合組網(wǎng)。以下通過兩個工程案例，分析石油石化行業(yè)中常見的工業(yè)以太網(wǎng)交換機應用方式。

3.1 代替通用以太網(wǎng)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(qū)、燃料油罐區(qū)、重油罐區(qū)、辦公區(qū)、35／6 kV變電所、水處理區(qū)、消防站、碼頭等構成，廠區(qū)通信系統(tǒng)將做為工業(yè)電視監(jiān)控、視頻周界、電話軟交換、SCADA數(shù)據(jù)傳輸、計算機辦公等系統(tǒng)的支撐網(wǎng)絡。整個廠區(qū)組網(wǎng)最大的難點是IP業(yè)務接入點位置比較分散，如果采用常規(guī)級聯(lián)方式組網(wǎng)，網(wǎng)絡結構勢必混亂而沒有層次，將大大增加廠區(qū)布線量及日常維護管理難度。而工業(yè)控制網(wǎng)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(qū)通信系統(tǒng)采用了如圖1所示的組網(wǎng)方案。

圖1 廠區(qū)通信系統(tǒng)組網(wǎng)方案

該網(wǎng)絡分為辦公及生產(chǎn)網(wǎng)兩部分。辦公網(wǎng)采用通用以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)并延續(xù)星型級聯(lián)結構；生產(chǎn)網(wǎng)則采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)并以環(huán)形結構為主，輔以鏈型、星型結構。生產(chǎn)網(wǎng)與辦公網(wǎng)之間設防火墻以保障生產(chǎn)網(wǎng)絡安全。物聯(lián)網(wǎng)具有感知層、網(wǎng)絡層、應用層的3層體系結構，參照此種網(wǎng)絡結構進行詳細設計時，首先要把握重點業(yè)務的要求，即對于需要接入SCADA數(shù)據(jù)的節(jié)點必須在環(huán)形結構內，以保證SCADA數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽?，其他業(yè)務由于對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸蟛桓撸尤霑r根據(jù)實際情況可置于環(huán)網(wǎng)結構之中，亦可以星形就近接入附近環(huán)網(wǎng)節(jié)點。同時利用二層VLAN劃分可將SCADA數(shù)據(jù)傳輸與視頻監(jiān)控等其他系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)進行通道隔離。由于現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)交換機數(shù)量較多，宜采用網(wǎng)管型設備組網(wǎng)，投產(chǎn)后可利用網(wǎng)管系統(tǒng)簡化及降低網(wǎng)管難度?？傊摲桨负喕瞬季€結構、減少了布線量、降低了日常維護管理的難度，使環(huán)網(wǎng)節(jié)點數(shù)量可控，同時也有效控制了網(wǎng)絡建設成本。

3.2 代替部分SDH設備組網(wǎng)

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(tǒng)將作為工業(yè)電視監(jiān)控、電話軟交換、SCADA數(shù)據(jù)傳輸、視頻會議、計算機辦公等系統(tǒng)的支撐網(wǎng)絡。該系統(tǒng)組網(wǎng)最大的難點是通信距離長，業(yè)務接入節(jié)點數(shù)量多，業(yè)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(yè)務接入種類單一且業(yè)務量小的節(jié)點勢必造成浪費，系統(tǒng)造價勢必大大增加，系統(tǒng)性價比大打折扣。同時，由于管道地處南疆沙漠地區(qū)，對設備防塵、抗高溫有特殊的要求。最終，管道通信系統(tǒng)采用了如圖2所示的SDH傳輸與工業(yè)以太網(wǎng)交換機混合組網(wǎng)的結構。

圖2SDH傳輸設備與工業(yè)以太網(wǎng)交換機混合組網(wǎng)方案

該網(wǎng)絡主干傳輸層采用基于MSTP的SDH設備組成，傳輸節(jié)點設在主要工藝站場，負責站場數(shù)據(jù)的集中接入及遠程傳輸；接入層則采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)并以鏈形結構為主（實際上接口按環(huán)網(wǎng)配置）。參照此種網(wǎng)絡結構進行詳細設計時需要注意以下幾方面：首先，工業(yè)以太網(wǎng)交換機的環(huán)網(wǎng)檢測機制要采用類似于點對點握手的檢測機制才能實現(xiàn)此種網(wǎng)絡結構的環(huán)網(wǎng)保護；其次，如果閥室與工藝站場之間有業(yè)務數(shù)據(jù)交換（如視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)），SDH設備的以太網(wǎng)板應具有交換功能；最后，如果閥室SCADA數(shù)據(jù)需要獨立傳輸通道，可利用二層VLAN劃分實現(xiàn)與視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)隔離。與傳統(tǒng)全SDH設備組網(wǎng)方案相比，該方案在保證網(wǎng)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(wǎng)絡系統(tǒng)性價比。

4 結語

由于工業(yè)以太網(wǎng)交換機采用TCP/IP通信協(xié)議，因此可以與多種具有以太網(wǎng)接口的網(wǎng)絡設備靈活組網(wǎng)。但工業(yè)以太網(wǎng)交換機畢竟是基于分組和幀交換技術進行存儲轉發(fā)的網(wǎng)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(shù)據(jù)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(yè)來說，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機組建傳輸網(wǎng)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(yè)以太網(wǎng)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(yè)務需遠程混傳時，恰恰就不適合采用以太網(wǎng)交換機。某些設計人員經(jīng)常因為所有業(yè)務數(shù)據(jù)是IP類型的，就全盤采用以太網(wǎng)交換機，而忽略了業(yè)務自身特殊需求。畢竟傳輸網(wǎng)絡最終是為業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸服務的，因此采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)時，對于不同的應用環(huán)境、不同的業(yè)務需求和業(yè)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(fā)揮工業(yè)以太網(wǎng)交換機的作用，提高系統(tǒng)性價比。

（欄目主持李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.003