基于环网冗余工业以太网技术的钢铁能源管控系统

杨晓帆

（北京交通大学理学院，北京 100044）

随着计算机和网络技术的发展，工厂自动化领域迎来新的技术变革。以太网作为目前在管理信息系统中应用的主要技术，基于其性能价格比较高、建设方便迅速等优势，在工厂自动化和控制领域中得到了越来越多的应用〔1-2〕。钢铁行业是我国国民经济的支柱产业，不但是我国能源的生产大户之一，也是能源消费大户。能源管理项目EMS系统能帮助钢铁厂进行能源的优化和集中式管理，实现在线能源生产全过程监控和能源调度、优化平衡，能源管理一体化运行，达到节能减排、降低成本、合理利用资源的目的〔3〕。工业以太网在其中连接了各个区域，形成网络拓扑结构，实现实时数据的采集、传输和存储。

1 基于环网冗余的工业以太网设计

能源管控系统专用网络采用工业以太网、中央核心交换网络和标准客户以太网的三层结构，拓扑结构采用环形结构，在骨干传输网设计上采用1 000 M冗余“工业环网”设计。在汇聚层和核心层的互联上，采用1 000 M光纤连接的方式；接入层采用100 M工业环网并上联到汇聚层。

采用接入——汇聚——核心三层网络架构：

1）核心层：由两台三层网管交换机组成，通过热备思想实现核心网络冗余；核心层设备和汇聚层通过1 000 M光纤互联；

2）汇聚层：由20台设备组成1 000 M工业环网以实现主干链路对链路故障的毫秒级自愈，在网络节点较多的环境同时使用环网上联节点交换机做进一步汇聚；

3）接入层：接入层到汇聚层之间采用100 M上联，上联采用百兆工业环网，传输距离远的采用无线设备远程传送数据。

设计采用2台三层交换机作为核心管理交换机，所有服务器、关键网络设备及工业光纤环网交换机将连接到核心交换机的千兆端口上〔4〕。操作站、打印机连接到另外2台24口10/100Base-TX工业以太网交换机提供的网络端口上。在终端接入层互联上，通过100 M光纤或是100Base-TX级联。在下联的PLC和终端设备上，通过100 M电口连接。

1.1调度大厅及机房设计调度中心核心网络为冗余配置的1 000 M网络，连接到光纤环网上。核心网络上连接实时数据库服务器、历史数据库服务器、应用服务器、视频服务器、Web服务器、备份服务器、GPS时钟对时装置等。交换机还用于管理整个网络系统中的VLAN及路由等。

系统的各项任务按功能划分分别运行在网络中不同的服务器中，并对重要的功能服务器采用冗余配置，其它客户端通过网络共享服务器资源。基于这种框架的系统网络可合理利用网络资源，减轻了单台服务器的工作和通讯负荷，同时也可避免由于单台服务器的故障而导致的系统瘫痪问题，保证系统上层网络高速稳定运行。

1.2现场接入网络设计现场接入网络设计采用模块化千兆工业以太网交换机，依据地理位置的不同，构成一个数据采集千兆光纤环网及多个百兆光纤环网〔5〕。主干网络节点采用单模光纤，构成全厂千兆光纤环网。

工业环网的主干节点按照新兴铸管厂区分布图、现有的数据采集网络和新建数据采集站的分布进行统一规划，主干节点要设置在数据采集站所的中心区域，使得各采集站所到主干节点的距离最短，同时又能兼顾到全厂的各个角落。

光纤环网结构采用点到点的链路组成，因为点到点的光纤传输技术最为成熟，所以光纤环网的结构最普遍〔6〕。在这种结构中，光纤的延迟小，易于配置很多站点的环网和高速环网。

现场光纤环网采用模块化千兆工业以太网交换机，主干网络节点采用单模光纤，构成一个千兆光纤环网结构〔7〕。环网技术采用光纤链路冗余的功能，当光纤链路发生一处断路的情况下，数据通讯会在50毫秒内切换到冗余链路上，整个数据的传输和控制不会受到影响，确保了数据传输的实时性。

1.3网络管理随着用户网络规模的不断扩大，网络设备数量的不断增加，种类的不断增加，必然增加网络管理人员的维护和管理网络的负担，同时也增加了运维的成本和开销，因此网络管理是保持钢铁企业网络高效运行的一个关键〔8〕，通过网管软件，可以实现对全网设备进行统一的维护管理，大大减轻了维护人员的工作量，也大大减少了运维的成本和开销。

本项目配置赫思曼公司的Industrial Hi Vision图形化网络监控软件安装在网络管理客户机上，网络管理客户机与核心交换机相连，负责管理整个网络的交换机设备。该软件通过LLDP逻辑链路自动发现协议，自动识别基于LLDP协议的网络架构，如STP、RSTP、HIPER-Ring、Redundant Ringcoupling、Link Aggregation等，也能够发现不支持LLDP协议的终端设备，实现网络拓扑可视化。物理的或逻辑的或是两者的结合均可在一个项目中同时表示出来，在地图上可手动调整、优化设备的物理未知可手动配置的连接。安装快捷使用简便，用户可以像浏览文件夹结构那样浏览网络拓扑和网络设备列表，适合于网络管理员和安全管理员的管理工具，操作方便，功能实用，能够帮助管理员快速了解当前的网络状况，诊断网络故障和减轻网络配置的工作量，发现网络安全隐患。同时软件采用开放的框架，具有较好的系统扩展能力，能够扩展多种设备类型和其他管理工具。

1.4 VLAN划分整个新兴铸管EMS系统工业网络系统采用VLAN（虚拟局域网）技术，根据需要灵活地将不同的用户和应用加入对应的逻辑子网中。一个VLAN中的广播风暴不会送到VLAN之外，也不会收到其他VLAN产生的广播风暴，可以极大地提高网段的安全性和性能。因此，局域网日常办公区与局域网数据中心监控区两个基本区域划分成不同的子网，以分割信息交互，保证调度中心内部网络的安全性。

VLAN技术将网络分为几个不同的广播组，网络管理员可将被保护的应用程序和资源置于安全性VLAN中，禁止未经允许而访问VLAN中的应用，保证网络上信息的安全传送。通过功能划分各个VLAN，保证各个网段只能在网管中心的控制下进行有限的互相访问，保证关键子网上应用的安全性、保密性。

基于同样的原理，系统管理员还可以对各个VLAN的因特网访问权限进行设置。如客户发布信息等应用可以分配较大的带宽等。

通过简单的技术手段可以实现VLAN的划分，网络管理员可以在网管系统上方便的配置VLAN通信、监控网络流量、VLAN使用的网络带宽，设置网络用户的安全性。

Vlan的划分按照应用要求而定，新兴铸管EMS网络规划分为8个Vlan，如下：服务器区、操作员站区、电力采集站区、煤气采集站区、给排水采集站区、动力采集站区、视频采集站区。

1.5 IP地址规划IP地址方案的设计至关重要，好的IP地址方案不仅可以减少网络负荷，还能为以后的网络扩展打下良好的基础。IP地址规划对于网络的应用效率、可维护性和可扩展性等方面都有很大影响，因此合理的IP地址分配是网络设计的重要目标之一。通常IP地址分配有要考虑的原则包括唯一性、连续性、可扩充性、灵活性、可治理性、安全性等。具体分配时要遵循以下原则。

1）唯一性：一个IP网络中不能有两个主机采用相同的IP地址；

2）简单性：地址分配应简单易于治理，降低网络扩展的复杂性，简化路由表的款项；

3）连续性：连续地址在层次结构网络中易于进行路径叠合，大大缩减路由表，提高路由算法的效率；

4）可扩展性：地址分配在每一层次上都要留有余量，在网络规模扩展时能保证地址叠合所需的连续性；

5）灵活性：地址分配应具有灵活性，以满足多种路由策略的优化，充分利用地址空间。

2 基于工业以太网的现场采集站接入设计

现场采集站点以子环网加星型网络的方式接入核心层交换机，采集站点就近接入子环网交换机或直接接入核心层交换机〔9〕。

2.1电力系统数据入网新兴铸管EMS项目中涉及到的47个高压配电室通过电力系统改造后，均配有电力通信管理机。通信管理机具备IEC 101/104规约，并过以太网口输出。电力系统的入网方案采用通信管理的IEC 101/104以太网口接入能源主干网子站交换机，SCADA服务器配有IEC 101/104通信驱动。见图1。

图1 SCADA服务器

2.2空压站、水泵房数据入网硬件接口：现场I/O信号通过硬接线的方式直接接入现场数采站，见图2。

图2 水泵站数据入网

数采站I/O站配置规范如下：

1）模拟量输入设计采用8通道隔离模块，所有AI信号（4～20 mA）都通过隔离器进入控制系统；

2）模拟量输出设计采用8通道隔离模块，所有AO信号（4～20 mA）都通过隔离器驱动输出设备；

3）开关量输入模块设计采用16通道干接点输入模块；

4）开关量输出模块设计采用8通道/16通道继电器数字量输出模块，输出通道相互隔离，每个通道可以驱动250VAC或30VDC；

5）系统设计考虑EMS的扩展，每个子站I/O信号采集模块留有余量。

其通信协议：现场数采站与能源中心实时数据库采用TCP/IP协议通讯。由于采集站没有控制系统，而且信号较多，如果采用电缆直接采集进附件采集站，成本较高，因此采用光纤接入到子站交换机，再由交换机能源网。

2.3动力系统数据入网动力系统数据（风、气、汽），多是从站控系统后台接入采用OPC协议完成的数据采集，通过在现场部署数采站，每一台数采站上的数据采集器软件连接多套DCS或PLC控制系统。再通过OPC协议将数据通过光纤环网接入能源系统服务器。见图3。

图3 动力系统入网

2.4与其它信息系统的通讯设计能源中心将配置硬件防火墙，用于与ERP等其它信息系统的数据交换，路由采用交换机端口路由的方式通讯。EMS系统的Web服务器和应用服务器通过防火墙挂接到全厂办公网络上，确保主干网络安全。能源中心的管理计算机应设置在办公网络上，通过统一的路由端口访问应用服务器。

3 结束语

新兴铸管能源管控中心系统最终将为企业能源安全生产、科学调度、节能降耗发挥直接的作用。以工业以太网为平台，能源管理系统能对全厂进行实时数据采集，且采集到的数据具有高度的时效性。以这些数据为基础，对全厂的能源进行自动化管理，达到了节能减排的目的。目前，国际上已经有一些公司面向自动化工厂推出了基于工业以太网的自动化解决方案，称为“透明工厂”〔10〕。因此，随着技术水平的不断进步，工业以太网的应用范围会越来越大，发展前途也会越来越广阔。

〔1〕杨金奇，刘学军.工业以太网技术及其应用现状与发展〔J〕.四川工业学院学报，2002，21（3）：34-37.

〔2〕Jonas Berge.Using Ethernet is a No-brainer〔M〕.ISA：In-Tech，2000.

〔3〕白国华，贾敬臣.工业以太网在火力发电厂的应用〔J〕.华电技术，2009，31（3）：33-37.

〔4〕赵宏.以太网交换技术〔J〕.辽宁大学学报，2000，27（2）：182-186.

〔5〕郭芳瑞.浅谈现场总线控制系统与集散控制系统〔J〕.现代电子技术，2003，26（14）：35-38.

〔6〕胡锡春，李小凯.工业以太网在污水处理中的应用〔J〕.工业控制计算机，2009，22（11）：11-12.

〔7〕夏锋，孙优贤.工业以太网应用性能分析〔J〕.电气自动化，2004（2）：40-43.

〔8〕冯冬芹，金建祥，褚键.浅谈以太网应用于工业现场的关键技术〔J〕.世界仪表与自动化，2002（4）：8-13.

〔9〕缪学勤.工业以太网技术最新发展〔J〕.电气时代，2004（2）：24-29.

〔10〕唐涛.电力系统厂站自动化技术的发展与展望〔J〕.电力系统自动化，2004，28（4）：92-97.