工业以太网在普光气田中的应用

王贵波（中石化中原油田普光分公司，四川，达州 636156）

王义国（北京塞特雷特科技有限责任公司，北京 100102）

1 引言

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3标准）兼容。产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面能满足工业现场的需要。工业以太网的优点在普光气田得到了很好的应用。

2 工业以太网应用于工业现场的关键特点

2.1 通信确定性与实时性

工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。采用快速以太网加大网络带宽。Ether-net的通信速率从10、100 Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降，从而提高其实时性。采用全双工交换式以太网。用交换技术替代原有的总线型CSMA/CD技术，避免了由于多个站点共享并竞争信道导致发生的碰撞，减少了信道带宽的浪费，同时还可以实现全双工通信，提高信道的利用率。

2.2 稳定性与可靠性

传统的Ethernet并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境的适应性需要。由于工业现场的机械、气候、尘埃等条件非常恶劣，因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求。在工厂环境中，工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性及可维护性。

2.3 安全性

在工业生产过程中，很多现场不可避免地存在易燃、易爆或有毒气体等，对应用于这些工业现场的智能装置以及通信设备，都必须采取一定的防爆技术措施来保证工业现场的安全生产。

3 普光气田工业以太网系统组成和网络拓扑结构

普光气田是我国已投产的规模最大、丰产最高的特大型海相整装气田，由于其高酸高含硫的特点，对集输工艺、自动控制及通信传输提出了更高的要求。SCADA系统作为现场数据采集、参数调节及设备控制的重要系统，对安全生产起着至关重要的系统，而工业以太网作为SCADA系统的数据传输通道，必须具备极高的可靠性与稳定性以满足SCADA数据传输的需要。

3.1 普光气田工业以太网系统组成

普光气田主体开发地面集输工程工业以太网共包括16座集气站场、29座线路截断阀室、1座集气末站、1座污水站及1座中心控制室。普光二期地面集输工程工业以太网系统包括7座集气站、18座阀室，1座中控室。其中主体和大湾区块各自成环，在中控室进行对接，使系统能够互访，各系统骨干网络为1000M bit/s的光纤以太网，中控室、场站或阀室内部的子系统网络为100Mbit/s的电气以太网络。整个系统采用西门子工业级SCALANCE-X系列交换机进行构架。

3.2 普光气田工业以太网拓扑结构

工业以太网骨干网络采用双环网冗余结构，沿工艺管线敷设42km埋地光缆，与电力线路同时架设51km架空光缆，使用长距离光纤模块将中控室、场站以及各个阀室连接在一个环网上。与中控室较近的场站（集气站末站和污水站），分别采用星型连接以光缆直接接入中控室系统。图1为工业以太网环网拓扑图，图2为为典型站场网络拓扑图。

图1 工业以太网环网拓扑图

图2 典型站场网络拓扑图

骨干环网络利用西门子工业级交换机SCALANCE X308-LH组成1000Mbit光纤网络。骨干环网由西门子HSR协议提供单点故障保护，保证骨干链路故障情况下通讯不受影响。骨干网络提供的1000Mbit/s全双工线速交换能力（实际提供2000Mbit/s双向带宽）。并可通过IEEE802.1q的VLAN划分方式，对各子系统网络流量进行划分并优化流量。全网支持SNTP，3ms精度时钟同步。基于PROFINET RT（Real Time）标准以数据4级优先级队列，提供QoS服务。

普光主体骨干网与48个子系统网络、大湾区块骨干网及28个子系统网络共同组成普光气田集输以太网系统。

4 普光工业以太网系统特点和优势

普光气田工业以太网系统采用双网冗余，相互独立，另有无线备用链路，在有线出现多个故障点时，网络自动切换到无线，做到双网切换、无线切换。对于普光气田工业以太网系统，主要有以下特点和优势。

4.1 安装特点

全网西门子交换机采用导轨式安装，安装在标准DIN导轨上和S7-300 标准导轨，有易于安装和卸下。工业以太网交换机经常处于严重振动之下（> 10 g），则使用 S7-300 标准导轨进行安装。DIN 导轨在振动超过 10 g 的情况下不能提供足够支撑。虽然工业以太网交换机在使用过程中不会处于严重的振动之下，但是考虑到普光气田的特殊的山区地理环境，在运输过程中不可避免会处于严重的振动之下，为了减少设备在运输过程中损坏，保证交换机的使用寿命，采用S7-300 标准导轨进行安装。

普光主体以太网机柜采用的安装交换机的导轨为35 mm DIN导轨 ，普光二期以太网机柜采用的是SIMATIC S7-300 标准导轨。S7-300 标准导轨的用料、牢固性上都优于35 mm DIN导轨。

4.2 双路冗余供电

所有设备供电都采用西门子SITOP电源，并是双路冗余，设备供电也是采用双路输入。保证设备供电的安全。

4.3 使用C-PLUG卡存储介质提供了设备的配置和维护效率

C-PLUG用于交换机设备的配置存储、备份。在设备替换或故障时，用于快速恢复配置，存储容量32M。拥有足够存储容量存储交换机的配置信息。

4.4 采用HSR技术提高系统运行可靠性

当骨干网环路的光缆因自然灾害、人为失误或设备老化等原因发生断路时，HSR高速冗余环协议可以将骨干环网上的数据流向改变，提供一个故障点的保护。该切换由交换机完成，故障自愈时间不超过300m s。由于骨干环上的链接设备数量小于环网连接数量的极限值，实际切换时间将小于300ms。图3为骨干环网出现断点。

图3 骨干环网出现断点

4.5 无线接入和OSPF关键技术

当骨干网环路的光缆因自然灾害、人为失误或设备老化等原因发生多处短路时；或场站所连接的SCALANCE X 414-3E与骨干网间的有线连接发生断路时，部分站点与中控室在有线链路上被隔离。此种情况下，被隔离场站切换到无线传输链路与控制中心通讯。其他为被隔离的场站仍使用有线通讯链路，通讯不受影响，不产生抖动。

有线链路向无线链路的切换由OSPF动态路由协议来完成，该协议将各场站与骨干环网划分成不同自治域。并对有线链路与无线链路分配不同优先等级，以权重决定主要链路为有线链路。当有线链路发生中断时，OSPF协议可在1～3s内完成切换。

OSPF即Open Shortest Path First（开放最短路由优先协议）。它是IETF组织开发的一个基于链路状态的自治系统内部路由协议。在链路状态路由协议中，路由器和路由器之间交换的是链路状态。而距离矢量路由协议中，路由器与路由器之间交换的是路由表。链路状态路由协议能够识别更多的网络信息，所以选出的路由比距离矢量路由协议选出的路由更优。

在IP 网络上，它通过收集和传递自治系统的链路状态来动态地发现并传播路由，OSPF 是一种相对复杂的路由协议，适用于大型复杂的网络。采用OSPF协议的好处是OSPF是真正的LOOPFREE（无路由自环）路由协议。源自其算法本身的优点，链路状态及最短路径树算法，OSPF收敛速度快：能够在最短的时间内将路由变化传递到整个自治系统。提出区域（area）划分的概念，将自治系统划分为不同区域后，通过区域之间的对路由信息的摘要，大大减少了需传递的路由信息数量。也使得路由信息不会随网络规模的扩大而急剧膨胀。将协议自身的开销控制到最小。网络冗余性好，通过计算路径，计算出最短的路由路径，在有线和无线间切换适用OSPF协议。

普光气田的无线接入方式采用5.8G接入，考虑到无线传输系统的开放性，在以太网络接入进无线传输系统前，接入网络安全设备SCALANCE S612提供VPN连接，对无线传输系统的连接进行加密保护，确保数据在无线传输系统的传输过程中不会受到外界破坏或入侵。

图4 设备出现问题无线切入

当骨干环网上的交换设备因各种原因发生故障，无法工作时，故障交换机所连接的场站子系统网络被隔离，其他站点通讯不受影响。被隔离的场站子系统网络切换至无线传输网络。切换方式同上文，切换时间在1～3秒内。

图5 设备出现问题无线切入

4.6 双网冗余

场站子系统网络中的SCALANCE X414-3E发生故障，或子系统网络连接至该设备的连接发生断路时，单网有线链路与无线链路均无法进行通讯。基于双网冗余的系统结构，数据通讯整体由1#千兆光纤环网切换到2#千兆光纤环网。

该类切换由数据采集系统对数据采集源网卡的切换完成，其响应时间由数据采集系统决定，在1~3秒左右。该类切换还有可能产生于通讯应用的中断或连接超时。

图6 双网冗余

由于双网系统中，两张网络结构完全相同。切换后，该系统仍然能够承受上文所述的几种故障情况发生，并能进行相应的切换。

因此，该系统网络所能承受的故障点数量最多可达到5个。由于除大规模自然灾害的情况下，同时发生2个故障点以上的可能性不高，该系统的可用性已经基本可以确保整体网络的不间断运行。故障点情况如图7所示。

理论上，由于网络设备硬件故障而产生的系统中断不应超过3s。而在此基础上，附加再次产生的硬件故障，在备件充足、维护人员熟练的情况下，基于C-PLUG卡或远程配置恢复的功能，系统中断时间可以控制在小时为单位的时间内。

图7 环网出现多个断点

4.7 普光气田工业以太网双环对接技术

普光主体工业以太网系统和大湾区块工业以太网系统组成了普光气田工业以太网系统。系统为两个逻辑环，两个环网在物理交接点中控室实行对接。对接采用光缆连接光电转换设备的方式使两个环网的核心交换机的电口连接，从而完成对接。两个环网同时接到网管服务器，方便了网络管理。图7是环网出现多个断点。

图8 普光气田主体和大湾工业以太网环网逻辑图

4.8 普光气田工业以太网设备的高可抗性

所有交换机设备均满足电磁兼容性及抗干扰指标EN61000-4-2静电，EN 61000-4-3电磁场，EN 61000-4-4快速瞬变，EN61000-4-5浪涌都在3级以上。全部设备均支持双DC24V输入，带继电器报警输出，结构坚固，耐受工业震动及冲击（IEC60068-2）。

雷击和浪涌是对工业设备损害的重要原因，为确保整个系统安全，提高防浪涌的级别非常重要，虽然西门子提供的交换机和路由器已经满足技术规格书要求的防浪涌要求（EN61000-4-5浪涌3级以上），但根据经验，由于各站场均分布在野外，属于易受雷击和浪涌伤害的地方，因此西门子在每个站场为工业以太网交换机配备专用的浪涌保护器V 20/C，提高浪涌保护等级，增加安全性。

5 结束语

普光气田工业以太网系统是目前应用在我国气田项目最先进的数据传输网络，普光工业以太网系统在复杂环境下的网络组建特点与技术优势，以肯定普光气田工业以太网系统在高酸气田SCADA数据传输方面的可靠性、稳定性与先进性，对国内同类油气田的网络建设规划具有重要的参考作用。

(1)社会经济效益

具有良好网络拓扑结构与功能的工业以太网在普光气田地面集输的应用，极大满足了生产数据传输的各项要求，特别是保证了重要生产SCADA数据的稳定传输。对国内同类高酸油气田的网络建设规划具有参考作用。

(2)展望

虽然工业以太网在一些行业的应用上已经真正实现了一网到底，但对于很多行业，现场总线和工业以太网将会并存多年。从目前国际、国内工业以太网技术的发展来看，工业以太网在制造执行层已得到广泛应用，并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。人们普遍认为工业以太网是未来控制网络的最佳解决方案，具有广阔的发展前景。

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