鋼鐵企業(yè)集控中心以太環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王紫萱

摘要：隨著計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)的發(fā)展，鋼鐵企業(yè)普遍實(shí)現(xiàn)了中控室自動(dòng)化操作的遠(yuǎn)程控制作業(yè)模式。近年來(lái)，伴隨社會(huì)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)安全的重視程度和職工的認(rèn)同感與日俱增，因此鋼鐵企業(yè)集控中心孕育而生。通過(guò)將原有分散在各自區(qū)域不能互通的獨(dú)立處理單元通信系統(tǒng)，進(jìn)行整合集中，形成互聯(lián)互通的集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)集中控制、少人或無(wú)人值守、提升工作效率的目標(biāo)。通訊網(wǎng)絡(luò)作為集控中心與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行信息交互的唯一通道，直接決定集控中心能否正常作業(yè)。本文通過(guò)集控中心作業(yè)需求的研究，以三層網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)構(gòu)建以太環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，從而提供高效穩(wěn)定的、安全可靠的信息傳輸通道，滿足鋼鐵企業(yè)集控中心作業(yè)信息傳輸要求。

關(guān)鍵詞：鋼鐵企業(yè)集控中心;以太網(wǎng);環(huán)形結(jié)構(gòu);穩(wěn)定性

為了保證集控中心的安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)操作的遠(yuǎn)方集控，必須要有安全可靠的通信系統(tǒng)來(lái)保證各處理單元至集控中心的數(shù)據(jù)信息可靠傳輸。近年來(lái)，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，三層網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、可靠性以及可管理性方面均有了有效的提升和改進(jìn)，通過(guò)合理規(guī)劃，能夠有效消除網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中存在的不穩(wěn)定因素，滿足鋼鐵企業(yè)集控中心與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息交互要求。

1、鋼鐵企業(yè)集控中心網(wǎng)絡(luò)通訊需求

鋼鐵企業(yè)集控中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)主要是將分散在各自區(qū)域不互通的獨(dú)立處理單元進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通的一個(gè)企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，主要用于各獨(dú)立處理單元間和與集控中心間的控制信息、視頻信息和生產(chǎn)信息的傳輸。網(wǎng)絡(luò)傳輸距離通常在5公里以上，甚至可達(dá)百公里以上;網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方面需滿足7*24小時(shí)無(wú)終斷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

2、鋼鐵企業(yè)集控中心網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)方案

基于網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)時(shí)性要求，考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬和信息安全因素，集控中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可分為三套網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和視頻網(wǎng)絡(luò)。下面將圍繞穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性要求最高的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)展開(kāi)設(shè)計(jì)。

2.1、交換技術(shù)選擇

數(shù)據(jù)交換技術(shù)方面，當(dāng)前較為成熟的三層交換技術(shù)能夠滿足集控中心信息交互的實(shí)時(shí)性需求。隨著Internet的發(fā)展，局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。數(shù)據(jù)交換技術(shù)從簡(jiǎn)單的電路交換發(fā)展到二層交換，從二層交換又逐漸發(fā)展到今天較成熟的三層交換。三層交換技術(shù)就是：二層交換技術(shù)+三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。它解決了局域網(wǎng)中網(wǎng)段劃分之后，網(wǎng)段中子網(wǎng)必須依賴路由器進(jìn)行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器低速、復(fù)雜所造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問(wèn)題。

2.2、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選擇

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面選擇當(dāng)前較為流行的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，確保集控中心通訊的整體穩(wěn)定性。三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分成三個(gè)層次——接入層、匯聚層和核心層，這三個(gè)層次分別側(cè)重于某些特定的功能：核心層主要用于網(wǎng)絡(luò)的高速交換主干，匯聚層著重于提供基于策略的連接，而接入層則負(fù)責(zé)將包括電腦，AP等在內(nèi)的工作站接入到網(wǎng)絡(luò)。這樣的設(shè)計(jì)能夠?qū)⒁粋€(gè)復(fù)雜的大而全的網(wǎng)絡(luò)分成三個(gè)層次進(jìn)行有序的管理。

2.3、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇

在總線、星型、環(huán)形三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，考慮集控中心7*24小時(shí)穩(wěn)定性需求，選擇環(huán)形結(jié)構(gòu)，解決鏈路中斷造成的通訊中斷風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓趯哟位M網(wǎng)、節(jié)省線路資源（比如光纖、Cable等）、提供靈活快速的保護(hù)、簡(jiǎn)化組網(wǎng)拓?fù)浜秃?jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理等方面具有總線形和星形方式不具有的優(yōu)點(diǎn)。最大的優(yōu)點(diǎn)就是可基于其小于50 ms的保護(hù)倒換能力，給數(shù)據(jù)通道提供快速的故障恢復(fù)能力。

3、鋼鐵企業(yè)集控中心網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)施方案

結(jié)合鋼鐵企業(yè)集控中心及以太環(huán)形網(wǎng)絡(luò)工作特點(diǎn)，將以太環(huán)形網(wǎng)絡(luò)組建到鋼鐵企業(yè)集控中心，組成監(jiān)控操作控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線操作、監(jiān)控等，使生產(chǎn)處于動(dòng)態(tài)控制狀態(tài)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，實(shí)時(shí)、協(xié)調(diào)組織，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備穩(wěn)定、精準(zhǔn)的自動(dòng)控制。

3.1、網(wǎng)絡(luò)搭建方式

環(huán)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)主要連接交換機(jī)附近的工業(yè)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)的傳送。整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖（圖：鋼鐵企業(yè)集控中心以太環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖）。在中央集控中心的服務(wù)器、工作站等設(shè)備可通過(guò)以太網(wǎng)卡直接接入到核心交換機(jī)的端口上，現(xiàn)場(chǎng)PLC或其他設(shè)備可直接通過(guò)雙絞線就近接入附近的交換機(jī)對(duì)應(yīng)的端口上。交換機(jī)之間采用光纖連接，構(gòu)成光纖環(huán)路。當(dāng)某段光纖出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，交換機(jī)自動(dòng)切換路徑，通過(guò)另外路徑實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)路徑的冗余，滿足鋼鐵企遠(yuǎn)程集控對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的要求。

3.2、設(shè)備的選擇

在交換設(shè)備選型方面，要考慮鋼鐵企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特殊性，普通電信交換機(jī)在抗干擾、電磁兼容性等方面無(wú)法完全適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求，使用壽命也會(huì)大幅降低，因此在交換設(shè)備的選擇上需選擇工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)，在部分防爆區(qū)域或特殊區(qū)域，還需考慮高溫、高濕、塵埃、震動(dòng)等環(huán)境因素，滿足區(qū)域防爆和安全要求。性能參數(shù)方面結(jié)合企業(yè)下聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸量和延時(shí)需求，選擇合適的性能的交換機(jī)，遵從核心層優(yōu)于匯聚層，匯聚層優(yōu)于接入層的原則進(jìn)行性能參數(shù)的選擇。

4、小結(jié)

隨著智能時(shí)代的到來(lái)，鋼鐵企業(yè)集控中心模式將成為未來(lái)工廠建設(shè)的主流模式，作為主要構(gòu)成部分的通訊網(wǎng)絡(luò)是集控中心管控模式實(shí)施的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性直接關(guān)系到集控中心能否正常工作。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前不僅在辦公系統(tǒng)中應(yīng)用，在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，能夠滿足其實(shí)時(shí)性、安全性需求，同時(shí)通過(guò)構(gòu)建環(huán)形網(wǎng)絡(luò)使網(wǎng)絡(luò)的可靠性有了充分的保障。未來(lái)隨著通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，集控中心的網(wǎng)絡(luò)通訊模式可能會(huì)向無(wú)線傳輸轉(zhuǎn)移，但就當(dāng)前技術(shù)來(lái)說(shuō)，以太環(huán)形網(wǎng)絡(luò)有效滿足了集控中心所有通訊的需求，具有普遍的適用性。

天津工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院