钢铁企业集控中心以太环形网络的设计与实现

王紫萱

摘要：随着计算机通讯技术的发展，钢铁企业普遍实现了中控室自动化操作的远程控制作业模式。近年来，伴随社会的发展，企业对安全的重视程度和职工的认同感与日俱增，因此钢铁企业集控中心孕育而生。通过将原有分散在各自区域不能互通的独立处理单元通信系统，进行整合集中，形成互联互通的集控系统，实现多系统集中控制、少人或无人值守、提升工作效率的目标。通讯网络作为集控中心与现场设备进行信息交互的唯一通道，直接决定集控中心能否正常作业。本文通过集控中心作业需求的研究，以三层网络为基础，设计构建以太环形网络，从而提供高效稳定的、安全可靠的信息传输通道，满足钢铁企业集控中心作业信息传输要求。

关键词：钢铁企业集控中心;以太网;环形结构;稳定性

为了保证集控中心的安全稳定运行，实现对生产操作的远方集控，必须要有安全可靠的通信系统来保证各处理单元至集控中心的数据信息可靠传输。近年来，随着以太网技术的不断发展，三层网络的传输速率、可靠性以及可管理性方面均有了有效的提升和改进，通过合理规划，能够有效消除网络传输过程中存在的不稳定因素，满足钢铁企业集控中心与现场设备信息交互要求。

1、钢铁企业集控中心网络通讯需求

钢铁企业集控中心网络建设主要是将分散在各自区域不互通的独立处理单元进行网络联通的一个企业级网络，主要用于各独立处理单元间和与集控中心间的控制信息、视频信息和生产信息的传输。网络传输距离通常在5公里以上，甚至可达百公里以上;网络运行方面需满足7*24小时无终断的实时数据稳定传输。

2、钢铁企业集控中心网络通讯设计方案

基于网络通讯实时性要求，考虑网络带宽和信息安全因素，集控中心网络设计可分为三套网络进行设计，控制系统网络、管理系统网络和视频网络。下面将围绕稳定性和实时性要求最高的控制系统网络展开设计。

2.1、交换技术选择

数据交换技术方面，当前较为成熟的三层交换技术能够满足集控中心信息交互的实时性需求。随着Internet的发展，局域网和广域网技术得到了广泛的推广和应用。数据交换技术从简单的电路交换发展到二层交换，从二层交换又逐渐发展到今天较成熟的三层交换。三层交换技术就是：二层交换技术+三层转发技术。它解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。

2.2、网络架构选择

网络架构方面选择当前较为流行的三层网络架构模式，确保集控中心通讯的整体稳定性。三层网络架构将复杂的网络设计分成三个层次——接入层、汇聚层和核心层，这三个层次分别侧重于某些特定的功能：核心层主要用于网络的高速交换主干，汇聚层着重于提供基于策略的连接，而接入层则负责将包括电脑，AP等在内的工作站接入到网络。这样的设计能够将一个复杂的大而全的网络分成三个层次进行有序的管理。

2.3、网络结构选择

在总线、星型、环形三种网络结构中，考虑集控中心7*24小时稳定性需求，选择环形结构，解决链路中断造成的通讯中断风险。环形网络拓扑在层次化组网、节省线路资源（比如光纤、Cable等）、提供灵活快速的保护、简化组网拓扑和简化网络管理等方面具有总线形和星形方式不具有的优点。最大的优点就是可基于其小于50 ms的保护倒换能力，给数据通道提供快速的故障恢复能力。

3、钢铁企业集控中心网络通讯实施方案

结合钢铁企业集控中心及以太环形网络工作特点，将以太环形网络组建到钢铁企业集控中心，组成监控操作控制系统，实现在线操作、监控等，使生产处于动态控制状态中，根据现场实际情况，实时、协调组织，实现对设备稳定、精准的自动控制。

3.1、网络搭建方式

环网结点主要连接交换机附近的工业设备，以实现数据采集和控制信號的传送。整体网络结构如图（图：钢铁企业集控中心以太环形网络结构示意图）。在中央集控中心的服务器、工作站等设备可通过以太网卡直接接入到核心交换机的端口上，现场PLC或其他设备可直接通过双绞线就近接入附近的交换机对应的端口上。交换机之间采用光纤连接，构成光纤环路。当某段光纤出现问题时，交换机自动切换路径，通过另外路径实现信息的转发，实现路径的冗余，满足钢铁企远程集控对网络稳定性的要求。

3.2、设备的选择

在交换设备选型方面，要考虑钢铁企业现场的特殊性，普通电信交换机在抗干扰、电磁兼容性等方面无法完全适应现场环境的要求，使用寿命也会大幅降低，因此在交换设备的选择上需选择工业级以太网交换机，在部分防爆区域或特殊区域，还需考虑高温、高湿、尘埃、震动等环境因素，满足区域防爆和安全要求。性能参数方面结合企业下联设备数据传输量和延时需求，选择合适的性能的交换机，遵从核心层优于汇聚层，汇聚层优于接入层的原则进行性能参数的选择。

4、小结

随着智能时代的到来，钢铁企业集控中心模式将成为未来工厂建设的主流模式，作为主要构成部分的通讯网络是集控中心管控模式实施的基础，网络的实时性、稳定性直接关系到集控中心能否正常工作。随着以太网技术的不断发展，当前不仅在办公系统中应用，在工业自动控制领域也得到了广泛的应用，能够满足其实时性、安全性需求，同时通过构建环形网络使网络的可靠性有了充分的保障。未来随着通讯技术的不断发展，集控中心的网络通讯模式可能会向无线传输转移，但就当前技术来说，以太环形网络有效满足了集控中心所有通讯的需求，具有普遍的适用性。

天津工业大学电子信息学院