赫斯曼HIPER-Ring环网在水泥厂的应用

高宇，周莹莹，魏文通，李堃

DCS（Distributed Control System）系统，即“分布式控制系统”或“集散控制系统”，是为满足大型工业生产和日益复杂的电气设备过程控制要求而形成的计算机自动控制系统，其核心为对电气设备进行集中管理、分散控制，在水泥生产日益大型化的今天，被广大水泥生产企业采用。DCS系统由上位机、现场控制器与通讯网络组成，上位机集中布置于中控室，现场控制器位于现场或电力室，两者之间通过通讯网络连接。通讯网络的可靠性是DCS系统稳定运行的基础，本文重点介绍水泥厂基于赫斯曼HIPER-Ring协议的双环网（环网通讯网络系统）冗余拓扑结构的设计和应用。

1 环网冗余结构

1.1 定义

环网结构是指DCS系统中的所有设备通过一个连续的环路通讯网络系统（环网）串连在一起，在一个环网中，任何一个网络节点都只连接两个相邻的节点。环网冗余结构是指环网中的每一个设备均有两条链路，即主动链路和备用链路，当主动链路连接中断，交换机自动切换至备用链路的通讯网络连接方式。随着以太网在工业控制领域的广泛应用，各大自动化设备供应商均提出了各自的通讯网络冗余连接技术方案，赫斯曼公司提出的基于HIPER-Ring协议的快速自愈双环网冗余结构为常见的结构形式。

1.2 工作原理

在一个DCS环网冗余结构中，两条链路并非同时启用，而是在主交换机处作逻辑断开，防止产生“广播风暴”。此时，主交换机的两个端口分别为阻塞和转发态，除主交换机外，其余交换机的两个端口均为转发态。在水泥厂生产运行时，主交换机定时发送检测信号，判断主链路是否发生断路，当检测到其发生故障时，主交换机打开阻塞端，建立新的拓扑结构，短时恢复网络通讯。基于赫斯曼HIPER-Ring协议下，千兆环网自愈恢复时间<50ms，切换时间完全满足水泥厂生产设备自动化控制要求。

2 网络中的“广播风暴”及处置措施

2.1 定义

在通讯网络系统中，将一个数据包或数据帧发送至本地网段上的每个节点的过程即为“广播”，若通讯网络拓扑结构的设计和网络连接出现问题，或其他原因导致“广播”在网段内大量复制、循环重复发送，将会占用大量网络资源，导致网络性能下降，最终超出交换机处理极限造成网络瘫痪，这种情况即为“广播风暴”。

2.2 “广播风暴”产生原因

2.2.1 网线短路导致的“广播风暴”

以建德南方水泥项目为例，项目中DCS系统的网线均为现场手工制作，若现场网线水晶头没压好或线路发生磨损则可能导致网线短路。若某根网线短路，则此根网线将只能接收广播包，并将广播包发回原端口，交换机再在全端口转发广播，这个端口会再次收到广播，并再次全端口转发，不断重复上述过程，直至整个网络通讯容量被广播包占据，其他转发任务不能进行，最终超出交换机处理极限，致使网络瘫痪。

2.2.2 网络环路导致的“广播风暴”

不管是在哪个端口收到广播，交换机都会对广播包完整复制并转发至其他端口。因此，当网络中存在环形结构时，每一帧都会在环网结构中重复广播。例如，链路中交换机A有A1、A2两个端口，交换机B有B1、B2两个端口，假设广播信号从A1端口发给B1端口，B1端口收到后通过B2端口发给与之相连的设备，同样A2端口发给B2端口，B2端口收到后通过B1端口发给与之相连的设备。这个相连的设备当然也包括交换机A，即为B1端口发给A1端口，这样会形成一个环状的结构。此过程广播信号在A、B两台交换机间循环发送，最终因为数据量过大，导致设备出现故障。通过冗余协议在环网中设置逻辑断路，可避免此类“广播风暴”。

2.2.3 交换机或网卡损坏导致的“广播风暴”

网络拓扑结构中，交换机作为系统的节点，支撑着网络数据的传输。若交换机端口损坏，将会造成通信故障，可通过交换机端口指示灯判断交换机端口是否损坏；若网卡损坏，将会向网络发送大量广播，堵塞网络，可通过查看交换机资源情况，判断与之相连的计算机网卡是否正常。

2.2.4 其他情况导致的“广播风暴”

复杂的电磁环境或病毒攻击也可能会导致“广播风暴”。水泥厂中的交换机等网络节点一般布置在计算机柜内，设置独立的接地屏蔽，且厂区内网不与外网相连，故不易受电磁干扰或病毒攻击。

若出现“广播风暴”造成网络瘫痪，一般通过重启交换机即可解决。但网络中断很可能会造成设备跳停或损坏，影响正常生产，甚至导致事故发生。因此，有必要提高协议冗余设置避免“广播风暴”。

3 DCS系统通讯网络拓扑结构

3.1 控制器分段

以建德南方水泥项目为例，自动化控制系统分为石灰石破碎、原料调配、原料粉磨、烧成窑尾、煤磨、烧成窑头、1号水泥磨、2号水泥磨、水泥包装等9个子系统，其中，脱硫、脱硝以及循环水控制设置在烧成窑尾分段，水泥调配和污水处理控制根据实际位置设置在1号水泥磨分段。本系统上位机为ABB的Freelance AC900F，控 制 器 为PM902/PM904，I/O接口为CI773F，模块控制器为CI801。

3.2 双环网拓扑结构

采用A、B双网段组成两个环网，环网与树形结构相结合形成网络拓扑结构。

A网段主交换机位于中控计算机柜内，多模通讯光纤由中控出发，依次连接原料调配、原料粉磨、烧成窑尾、煤磨，烧成窑头、1号水泥磨、2号水泥磨、水泥包装车间中的交换机，再返回至中控主交换机，组成环网，此为正向主通讯链路顺序。反向即为备用冗余链路，石灰石破碎车间控制作为“树枝”接入原料调配车间，不参与环网。同理，循环水控制接入窑尾车间，水泥调配控制接入1号水泥磨车间。各车间PM902/PM904控制器通过交换机连接至通讯网络，现场控制器PLC通过Profibus DP电缆接入控制器。

B网段接法与A网段相同，A、B网段相互备用。DCS系统通讯网络拓扑结构如图1所示。

图1 DCS系统通讯网络拓扑结构

4 搭建赫斯曼HIPER-Ring环网

4.1 选型

以A网段为例，主交换机采用赫斯曼RS20-1600M2M2SDAEHC交换机，其余交换机采用赫斯曼RS20-0400M2M2SDAEHC交换机。节点间采用多模通讯光纤连接。B网段接法与A网段相同。A、B设置为不同网段，两者间不在交换机层面设置环网耦合，而是利用Freelance PM904/PM902第三网口的redundant controlnet（冗余网络控制）功能，设置A、B网段的环网耦合。

4.2 软件安装

下载安装Hisdiscovery赫斯曼交换机配置软件。因赫斯曼交换机需在Java环境下运行，还需下载Java浏览器插件。需注意，除IE10外，大部分浏览器已不支持Java插件，但WIN10自带IE10，使用IE10时应下载32位Java。软件安装完毕后，在IE10的internet选项→自定义级别→脚本中，将Java小程序脚本和活动脚本设为启用，同时，降低IE10的安全等级至低状态，防止Java插件被安全设置拦截。完成以上工作，即可连接赫斯曼交换机。

4.3 设置交换机IP

双击打开Hisdiscovery软件，选中交换机后双击更改其IP、子网掩码、名称等。若已经组网，找不到对应交换机，可点击左上角“信号”按钮，通过交换机上的灯光闪烁来确定对应交换机。

4.4 配置环网

将电脑的IP改成与交换机相同网段的IP，在IE10的地址栏中输入交换机的IP，进入交换机网关登录界面。用户填写“admin”。密码填写“private”，进入超级权限账户。A网段配置如下：

（1）在左侧导航栏中依次打开Redundancy→Spanning Tree→Global，将“Operation”改为“On”，点击下方Set保存。

（2）在左侧导航栏中依次打开Redundancy→Spanning Tree→Port，选中表格中Stp active列，点击去掉对应环网端口的对勾，阻塞此端口。

（3）配置环网。在左侧导航栏中依次打开Redundancy→Ring Redundancy，在Version中选择HIPER-Ring，在Ring Prot 1和Ring Prot 2中填入环端口，Ring Recovery中选择Standard，选择主交换机指定RM，主交换机在Ring mannager中选择“On”，其余交换机填“Off”，配置好后点击Set保存。

（4）检查配置。在左侧导航栏中依次打开Redundancy→Ring Redundancy，点击reload刷新，若配置成功，information里会显示Redundancy exists，Ring manage status显示inactive，意为环网闭合。对应交换机面板上的RM灯显示绿色，即表示配置成功。

（5）保存至本地。在左侧导航栏中依次打开Basics→Load/save，选择save中的to switch，点击旁边的Save Configuration，将配置保存到电脑本地。

（6）每个环内仅能设置一台RM作冗余管理器。在交换机面板上有RM和stand by两个拨码，RM拨到On，则此交换机作为冗余管理器，其余交换机需拨到Off。若软件中已设置RM，硬件可不必拨码，软件设置级别优先于硬件。指定RM后，交换机连接光纤的输入输出两个端口即为主通信线路和备用通信线路。平时冗余管理器会发送诊断帧来检测环网是否工作正常，当网络工作正常时，数据帧不会在备用通信线路传递，只有诊断帧能够在备用通信线路传输。当线路出现故障，RM冗余管理器收不到诊断帧时，RM冗余管理器会立即接通阻塞端口，切换至备用通信线路，以恢复数据通信。当故障点修复后，RM冗余管理器还可使通讯网络恢复到原来的状态。

B网段配置同A网段。A、B间不在交换机层面设置环网耦合，故此设置不涉及Stand by，默认拨Off即可。

5 网络测试

5.1 状态灯指示验证

（1）A、B网段单独验证。若配置无误，电源灯呈绿色，表示双路电源正常（黄色表示单路电源）。Stand by未启用，遂灯不亮。RM冗余管理交换机的RM灯呈绿色，其余交换机RM灯不亮。无故障FAULT灯不亮。通讯线路工作正常，LS灯为绿色，DA指示灯有黄闪。RM冗余管理交换机的备用通信线路为阻塞状态，LS灯为绿闪，DA指示灯不亮。

（2）手动切断主通信线路后，电源灯和故障灯不变。RM冗余管理交换机的RM灯呈黄色，其主通讯线路LS与DA灯均不亮，备用通讯线路LS灯为绿色，DA指示灯有黄闪，通讯不中断可判断环网配置正确。

（3）若RM冗余管理交换机的RM灯亮，两端口DA灯仍在黄闪，说明有数据交换，则阻塞端口失效，需重新配置。

（4）A、B网段均投入，手动切断A网段主、备通讯线路，由Freelance AC900F自动切换至B网段，保持通讯正常，反之亦然，则可证明通讯配置正常。

5.2 指令查询验证

常见的指令查询有ping、show network等。以ping为例，可验证本地主机与目的主机能否进行数据交换。

6 结语

DCS系统基于赫斯曼HIPER-Ring协议下的双环网冗余通讯拓扑结构，在水泥生产自动化控制发挥其可靠性高的优势的同时，能够避免“广播风暴”。环网冗余结构设计能够在DCS系统通讯网络发生故障时自动切换至备用通讯线路，维持DCS系统通讯正常，保证自动化控制系统通讯稳定性，满足水泥生产对自动化控制系统可靠性的要求。