基于GEPON的钢铁厂配电综合自动化平台设计

姜玉春

(山东钢铁集团 莱钢自动化部，山东 莱芜271104)

随着国家经济的宏观调控，钢铁企业已经由过去的落后的生产方式向新型高效的自动化方向迈进。自动化水平已经成为钢铁企业发展的重要保证。建立一个稳定，高效的信息传输平台对钢铁企业的建设具有重大的战略意义。我国冶金行业的自动化系统也早已由单主机形式发展到现在的高度网络化和集成化的阶段。要求各个子系统之间的信息可以无缝的对接到中央管理系统，实现信息的远程管理和共享，这极大的提高了钢铁企业的生产效率和安全系数。但由于工业冶炼现场环境恶劣、用电设备的特殊性，使得信息传输的时效性必须得到有效的保证。因此，设计一套基于新型、高效的网络传输平台的综合自动化系统势在必行。本文即设计了一种基于GEPON网络的综合自动化系统的平台。

1 钢铁厂供配电系统的特点

1.1 用电负荷高，稳定性要求高

钢铁厂的很多生产设备以及供配电设备，都具有高负荷、持续作业等特点,如果由于供配电管理不善导致电压突变或断电的发生,会影响到设备的使用甚至正常的生产。而且很多电力器件如IGBT是一种很敏感的压控器件,开通和关断都需要一段时间才能完成，如果命令发出不及时就会造成被控设备的误动作。因此,钢铁厂的供配电系统必须具有足够的稳定性,才能有效保障企业正常生产。

1.2 用电设备为高压，高负荷运转

钢铁厂中用电设备较多，不仅有高电压，大功率的生产设备,还有如照明、空调的办公设备。因此,钢铁厂的供电电压需要根据不同的用电设备划分成多个等级，这就要求有一个复杂的供配电系统用以保证各系统的正常运行。并且不同的供电设备其保护装置的方式、方法不尽相同。而且各种功能都需要依靠计算机自动化系统来实现。

1.3 供配电设备与其他设备联系密切

由于钢铁企业供配电设备为保证设备的正常运行的大多使用了DCS系统。供配电系统和能源系统以及变电所之间也有密切联系。而且钢铁厂很多如电力变压器等供电设备都连接着DCS系统,而这些设备都具备遥控、闭锁、通讯、保护、逻辑等操作功能。因此，供电系统与生产现场的控制设备有密切关系,供配电系统会实时传送系统的运行数据到集控系统中,以供分析、控制。

2 方案的选择

2.1 方案的比较

当前，我国钢铁冶金行业配电网络传输技术主要有两种:基于工业以太网信息传输系统和基于GEPON的传输系统。本设计采用GEPON(Gigabit Ethernet passive optical Network，千兆无源光纤以太网)技术。

工业用GEPON针对环境恶劣的工业现场有很多优良特性：实现了点到多点的传输、带宽较大且可动态分配解决了带宽瓶颈问题，设备采用无源器件使得系统工作稳定,易于安装维护,故障率低，同时平台建设成本低、组网灵活,易于扩展,数据可以通过工业太网技术传输,适合于综合传输视频、数据等信息,适合作为综合信息系统的高速主干传输平台。

2.2 GEPON网络的组成

GEPON网络主要由OLT（光线路终端）、POS（无缘分光器）和ONU（网络终端）组成：

OLT：OLT是GEPON系统的核心设备，在系统启动时OLT负责发起对光分配网络接口和ONU的注册和控制测距，并记录相关信息。而后对每个注册的ONU分配带宽；系统运行过程中，在下行方向上将集控中心的指令发送到下层的ONU并最终送至各底层用电设备。在上行方向各ONU数据经TDMA技术通过OLT将信息传入到中央控制室。

POS：POS是连接OLT和ONU的桥梁，负责GEPON系统中光功率的分配。通常情况下POS的分线率为2、4、8、16且各POS间可以进行级联以适应网络建设的需要。

ONU：它负责将各个底层用电设备接入到传输平台中，并与上层网络的数据交换，使各信息快速稳定的在系统中进行传递。在下行方向上ONU的主要作用是接收OLT发送的广播数据并将其转发至对应的；在上行方向将设备所报送的数据在OLT分配的发送窗口中发送。

2.3 工作原理

GEPON遵循IEEE802.3协议，每次可传送1518字节的信息。GEPON网络在上行与下行方向上信息传输过程有较大的不同：

如图1所示：

图1 GEPON网络的传输流程图Fig.1 The transmission process of GEPON network

下行方向，数据传输波长为1490nm。在传输过程中OLT会将允许接入的时间等信息在各个端口上进行广播。同时为每个ONU分配一个单独链路地址，用以将其去其他ONU进行区分。在由上至下的过程中数据是以数据包的形式发送，其最大长度为1518个字节，每个数据包的前面会标识目的ONU的地址。此外，ONU只会接受标识为自身的信息而将其他信息忽略。

上行方向，所有ONU共享上传带宽,并采用1310nm波长。在ONU注册成功之后，OLT会采用动态带宽分配（DBA）通过特定的算法为每个ONU动态分配上行带宽。而且GEPON系统采用TDMA技术将多个ONU的数据组织成一个信息流传送至OLT中以确保数据传输过程中ONU发送数据不发生冲突。这样可以保证数据在上行过程中稳定高效的传输。

2.4 GEPON组网方式

GEPON网络具有组网灵活的特点，可以将各种基本的网络拓扑结构进行有机的整合以适应工业现场的组网要求。在GEPON中基本的拓扑结构有环形、总线型、星形。在实际应用中应根据现场的具体情况以最优网络设计为原则来选择具体的网络拓扑结构。这可以利用分光器的不同分光比实现。在工程应用一般会选择两种或以上的组合形式。使搭建的网路具有冗余安全，高效稳定的特性。

其网络拓扑结构如图2、图3、图4所示。

3 GEPON网络平台的设计

图2 树形网络Fig.2 tree network

图3 星形网络Fig.3 start-type network

图4 总线型网络Fig.4 bus network

3.1 系统总体设计

通过GEPON网络可以将分散在各子系统中的的数据实时以最高可达1000M/s的传输速度通过网络传输到控制中心，实现信息的集中管理和共享。其传输速度和质量均满足钢铁厂自动化系统的传输要求。而且GEPON网络的拓扑结构使得光纤链路上的损坏点不会对系统的整体产生重大的影响。

由于钢铁企业配电系统覆盖地域广、涉及到的子系统较多，顾本次设计拟采用双环回路进行GEPON网络的搭建，以保证系统数据、图像等信息的传输稳定、高效。

如图5为矿山综合自动化系统结构图。

3.1.1 ONU的布置

ONU将各子系统信息接入到传输平台中。它主要配布置于测控装置，变压器等重要场所，以便于信息及时传输和保护设备的稳定的运行。同时将各子系统和数字工业电视系统、语音系统传输到集控中心统一调度监测。

3.1.2 OLT的布置

OLT是GEPON网络的核心设备，应将OLT布置于中心机房内。而且为保障系统稳定运行。本设计拟采用2台OLT形成1：1的冗余备份，并OLT之间使用设备冗余器进行协调切换，当一个OLT工作出现故障时，系统会自动根据网络传输情况进行设备切换，以保证网络不间断工作，使重要数据不致丢失。

3.1.3 网络的管理

系统通过串口服务器对整个网络进行管理。使网络具备自动模式和手动模式可在系统正常运行时使用自动模式而在维护和检修以及需要扩展时进入手动模式，而不影响正常的网络功能，网络还备有冗余以太网和串行传输接口，用于对系统升级。

图5 钢铁厂配电综合自动化系统结构图Fig.5 The architecture of the integrated automation system of distribution diagram of steel factory

3.2 软件平台的设计

3.2.1 软件系统的集成

软件平台建设是综合自动化系统集成的重要内容，它可以保证不同系统信息能够在一个统一网络平台上进行联通与共享，使各系统协调有序运行。而且用户还可基于此平台进行二次开发。

该平台的建设采用了SCADA软件，基于OPC等软件接口技术搭建统一的软件监控平台。通过软件平台的集成，将上位机的界面整合开发为一套综合的HMI，可以在每个子系统之间进行切换，以实现对整个供配电状况进行集中分析、协调运作。有权限的用户可以通过调取现场设备数据时同时查看相应的视频监控，以便能更好的监控现场设备的运行和统筹安排生产调度。

最后为统一调度指挥生产，系统还可以将所采集、处理得到的数据发布的Internet上供有权限的用户进行查询和管理。而且充分考虑系统和数据的安全性，系统具有较强的身份认证机制、完善的日志、数据备份和病毒防护等功能。

图6为系统软件架构图。

图6 软件架构图Fig.6 Software architecture diagram

3.3 子系统的接入

3.3.1 视频系统的接入

目前数字视频系统的广泛应用使得图像传输质量和稳定性有了很大的提高；其次，数字视频可借助网络进行传输，节省了建设的成本；使得系统的升级也更加的方便。根据钢铁厂的实际安装要求可以根据现场实际情况将视频摄像设备就近接入ONU中进行信息的传输。

3.3.2 数据设备的接入

将变压器、电力测控设备的信息经接入GEPON网络，可实现现场设备数据的远程监测和控制，并对相应设备的数据在综合处理平台上进行保存和处理。

4 结语

本文基于GEPON接入技术设计了一套钢铁厂配电自动化系统。GEPON系统采用以太网的帧结构还可以与地面的互联网进行无缝的对接，形成一个统一的网络而不需要进行格式间的转换。这样提高了系统的运行效率和管理的成本。可以很好的集成各个子系统，从而可以更好的提高通信的速度和传输的稳定性还可以达到节省传输线路铺设和维护费用的目的。

［1］黄可.EPON技术在电力通信网中的应用[J].电信技术,2006(10):121-124.

［2］杨乐祥.PON技术在配网自动化通信系统中的应用[J].电力系统通信,31(209):26-30.

［3］杨建军.钢铁厂供配电综合自动化系统的设计与实现[J].机电信息,2013（372）：147-149.

［4］Guo Wei,Wang Li.Integrated Automation of Power Plant Electrical System[J],Journal of Southeast University.2002,18:221-224.

［5］李若明,王行愚,徐顺喜.电厂信息综合自动化的实现[J].电力系统自动化,28(20):80-83.

［6］申明勇.浅谈工厂供配电系统运行和维护的安全技术要求[J].科技资讯,2011(13).