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西門子工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在冶金行業(yè)EMS項目的應(yīng)用

1.網(wǎng)絡(luò)需求
1.1   總則

全廠能源管理系統(tǒng)的計量數(shù)據(jù)應(yīng)能作為公司各工序環(huán)節(jié)核算能源消耗成本的合格數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃中應(yīng)得到足夠的重視,以確保這些數(shù)據(jù)真正為生產(chǎn)服務(wù)、為經(jīng)營決策服務(wù)、為成本管理服務(wù)。將全廠能源管理系統(tǒng)設(shè)計成基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集站在內(nèi)的全部系統(tǒng)設(shè)備能很好地支持以太網(wǎng)通信協(xié)議，將使系統(tǒng)的總體性能得以提高。
1.2   EMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計原則：

-         網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及配置成熟、穩(wěn)定、安全、可靠和方便維護(hù)。

-         工業(yè)網(wǎng)絡(luò)采用國際的主流工業(yè)級產(chǎn)品。

-         完善的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)措施。

-         與信息化主干網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計協(xié)調(diào)*，采用合理的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)路由，獨立的傳輸介質(zhì)。

-         適合能源公輔系統(tǒng)分散控制、集中管理的要求。

-         應(yīng)采用盡可能少的通信接口規(guī)約類型,以確保性能。

         -        網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展，有足夠的能力余量。
1.3   需求簡述

    某鋼廠EMS系統(tǒng)采用獨立網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場分區(qū)域設(shè)置5個百兆環(huán)網(wǎng)，這5個區(qū)域環(huán)網(wǎng)通過冗余鏈路上聯(lián)到上層的千兆主環(huán)網(wǎng)，主環(huán)網(wǎng)的上層是中央以太網(wǎng)，中央以太網(wǎng)用于連接管理網(wǎng)絡(luò)，包括I/O實時數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、操作站、技術(shù)管理站、數(shù)據(jù)庫/實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、工程師站、GPS、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等，管理網(wǎng)絡(luò)的
2.西門子網(wǎng)絡(luò)方案
2.1   方案簡述

中央以太網(wǎng)為支持冗余的千兆單模光纖環(huán)網(wǎng)，中央以太網(wǎng)交換機(jī)放置在冶鋼能源管控中心機(jī)房，在中央以太網(wǎng)交換機(jī)側(cè)留有與公司ERP的接口，中央以太網(wǎng)與ERP間設(shè)置有防火墻進(jìn)行隔離防護(hù)。

主環(huán)網(wǎng)為千兆單模光纖冗余環(huán)網(wǎng)，通過5個區(qū)域環(huán)網(wǎng)連接冶鋼EMS的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與現(xiàn)場各生產(chǎn)、公輔單元的控制系統(tǒng)、采集設(shè)備等。

現(xiàn)場的5個區(qū)域環(huán)網(wǎng)為百兆單模環(huán)網(wǎng)，連接PLC、DCS和RTU數(shù)據(jù)采集站等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)均為工業(yè)級可網(wǎng)管交換機(jī)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力滿足能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的要求，具備較高的網(wǎng)絡(luò)拓展及改造能力。能源管控中心設(shè)置的操作站都可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問、操作底層的能源管理設(shè)備。
2.2   方案具體說明
    2.2.1   主環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)介紹

為了在某鋼廠的六個主站點之間建立穩(wěn)定、可靠、高速的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，在某鋼六個站點的鋼管辦公室、20萬氣柜區(qū)域、四煉鋼辦公室、計算中心大樓、煉鋼調(diào)度室、一軋調(diào)度室各安裝千兆級工業(yè)以太網(wǎng)一臺，這六臺交換機(jī)之間采用單模光纖連接，組成1000M工業(yè)以太網(wǎng)（HSR）冗余環(huán)網(wǎng), 當(dāng)環(huán)網(wǎng)內(nèi)的任意一條鏈路出現(xiàn)中斷的時候，網(wǎng)絡(luò)可以在30ms之內(nèi)恢復(fù)數(shù)據(jù)通信，確保主干網(wǎng)絡(luò)的高可用性。骨干網(wǎng)絡(luò)提供的1000Mbit/s全雙工線速交換能力（實際提供2000Mbit/s雙向帶寬）。并可通過IEEE802.1q的VLAN劃分方式，對各子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行劃分并優(yōu)化流量。全網(wǎng)支持SNTP，3ms精度時鐘同步?；赑ROFINET RT（Real Time）標(biāo)準(zhǔn)以數(shù)據(jù)4級優(yōu)先級隊列，提供QoS服務(wù)。
2.2.2   區(qū)域子網(wǎng)絡(luò)介紹(以鋼管區(qū)域為例)

在鋼管辦公室區(qū)域的170區(qū)域；460區(qū)域；273區(qū)域；四總降；水處理；預(yù)留140區(qū)域六處各安裝工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)一臺，這六臺交換機(jī)之間采用光纖連接，組成100M單模工業(yè)以太網(wǎng)（HSR）冗余環(huán)網(wǎng), 當(dāng)環(huán)網(wǎng)內(nèi)的任意一條鏈路出現(xiàn)中斷的時候，網(wǎng)絡(luò)可以在30ms之內(nèi)恢復(fù)數(shù)據(jù)通信。同時按照最短路徑的原則，在這6臺子網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)中任選兩臺交換機(jī)，通過100M單模光纖上連到安裝在鋼管辦公室的主干網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，這兩條鏈路互為備份，在主鏈路中斷的情況下，備份鏈路能在300ms內(nèi)恢復(fù)數(shù)據(jù)通信。
2.3  

網(wǎng)絡(luò)方案示意圖
 

由于某鋼的EMS采集點分布比較廣，點數(shù)比較多，故整個網(wǎng)絡(luò)采用主干和區(qū)域環(huán)網(wǎng)加星型分支的結(jié)構(gòu)。

考慮到主環(huán)網(wǎng)的節(jié)點擴(kuò)充分支的需要，主節(jié)點采用全千兆設(shè)備，最少可以提供24個千兆端口（光或電，全模塊化設(shè)計），并且為分支節(jié)點的接入，提供充分的可擴(kuò)充性。主干環(huán)網(wǎng)的交換機(jī)應(yīng)該提供至少4個千兆單模網(wǎng)絡(luò)接口，其中2個千兆光口用于組環(huán)。

 區(qū)域環(huán)網(wǎng)的上聯(lián)主環(huán)網(wǎng)的節(jié)點交換機(jī)為支持standby功能的網(wǎng)管型交換機(jī)，提供2個百兆單模接口雙鏈路上聯(lián)需求和2個百兆單模組環(huán)需求，同時，區(qū)域環(huán)網(wǎng)的下聯(lián)交換機(jī)還需配有足夠口；為滿足所在區(qū)域附近的RTU設(shè)備可擴(kuò)充的接入需求，要求區(qū)域環(huán)網(wǎng)其余的節(jié)點交換機(jī)至少提供24個端口的全模塊化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

為減少故障恢復(fù)時間，提高系統(tǒng)可用性。選用的交換機(jī)需1：1配置內(nèi)置的配置存儲卡用于故障時的快速設(shè)備替換。交換機(jī)RJ45接口需配置保護(hù)擋板，防止線纜因拉伸出現(xiàn)的虛接。

產(chǎn)品綜述
3.1 

核心交換機(jī): Scalance XR500


核心交換機(jī)

SCALANCE XR-500 交換機(jī)系列的萬兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)適用于組建環(huán)形線和星形結(jié)構(gòu)(10/100/1000/10000 Mbit/s) 的高效能工業(yè)以太網(wǎng)。SCALANCE XR552/XR528 是核心級、工業(yè)級機(jī)架式工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，該產(chǎn)品為帶有多種連接介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)組件的大型網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計。

*的模塊化保障了用戶需求的極大實現(xiàn)：單個介質(zhì)模塊提供較小的端口密度4，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性，同時用戶可根據(jù)具體需求選擇任意的介質(zhì)模塊。如XR528-6M提供多達(dá)28個1000/10000M 端口，可插入6個介質(zhì)模塊，每個介質(zhì)模塊具有4個端口；同時提供4個10G SFP 插槽。而XR552-12M提供高達(dá)52個1000/10000端口，則可以插入12個介質(zhì)模塊，并提供4個10G SFP 插槽。

基于XR500強(qiáng)大的QoS控制，提供了比較豐富的QoS控制方法，能夠很靈活地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，更好地保證網(wǎng)絡(luò)QoS質(zhì)量。通過賦予某數(shù)據(jù)包更高的優(yōu)先權(quán)或是降低其他數(shù)據(jù)包的優(yōu)先權(quán)來給定某一具體數(shù)據(jù)包的優(yōu)先權(quán)。通常數(shù)據(jù)包信息是按照時間順序流通的，先來先通過。這種流通方式不會優(yōu)先處理特定的信息，如果遇到信息負(fù)荷，容易引起信息流通混亂，但是QoS 可根據(jù)信息的重要性重設(shè)信息流通的順序。利用QoS，可以預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的性能、更加有效地管理帶寬。

控制網(wǎng)絡(luò)資源，QoS 可以有效地控制帶寬。網(wǎng)絡(luò)流量限制非緊急應(yīng)用的帶寬（如FTP文件傳輸），這樣其他應(yīng)用就能得到更多的帶寬。

有效利用網(wǎng)絡(luò)資源能滿足所有應(yīng)用所需的帶寬，從而保證工作性能的可靠性。QoS保證了重要而又緊急的信息及時轉(zhuǎn)發(fā)。

定制化服務(wù)，QoS有助于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為用戶提供不同的服務(wù)。它把*帶寬分配給更重要的、能產(chǎn)生即時流量的應(yīng)用，比如：音頻、視頻等。

XR500核心交換機(jī)QoS的操作方式，即來包根據(jù)配置條件分類，加標(biāo)簽和解標(biāo)簽之后，交換機(jī)把分類完的的和處理過的包通過相應(yīng)的調(diào)度算法進(jìn)行傳輸。XR500提供了以下調(diào)度算法：

-嚴(yán)格的優(yōu)先級排序（SP）

-差額輪循調(diào)度(DRR)

-加權(quán)輪循調(diào)度（WRR）。

XR500提供擴(kuò)展的高端功能，如管理端口，三層交換功能刷新卡，介質(zhì)模塊熱插拔，3層交換，冗余路由，IPV6；
3.2   骨干環(huán)網(wǎng)三層交換機(jī): SCALANCE X414-3E

SCALANCE X414-3E產(chǎn)品系列是適合為高性能網(wǎng)絡(luò)建立線型，星形和環(huán)狀結(jié)構(gòu)(10/100/1000 Mbit/s) 的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

靈活構(gòu)建電氣或光學(xué)工業(yè)以太網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、端口類型以及數(shù)量都可很容易地適配不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。具有高度的網(wǎng)絡(luò)可用性，這是由于，例如，具有基于光纖環(huán)網(wǎng)冗余性的冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，集成有冗余管理器，具有冗余電壓饋入或者可在運行過程中交換和擴(kuò)展介質(zhì)模塊。

通過插入式C-PLUG交換介質(zhì)，可在沒有編程機(jī)時更換設(shè)備; 配置數(shù)據(jù)或者應(yīng)用數(shù)據(jù)安全地保存在C-PLUG插入式交換介質(zhì)中，而且即使沒有專業(yè)知識這些設(shè)置還可簡單地通過將存儲卡插入另一個更換設(shè)備而傳入。

SCALANCE X414-3E有一個模塊化結(jié)構(gòu)，利用這個結(jié)構(gòu)中，介質(zhì)模塊和/或者擴(kuò)展模塊可根據(jù)需要連接到交換機(jī)上。這些擴(kuò)展可提供8個附加的電信和光纖接口。

在SCALANCE X414-3E之間可建立千兆級連接；雙絞線用戶可直接連到基本的設(shè)備上。通過介質(zhì)設(shè)備可實現(xiàn)連接光纖。

可以構(gòu)成以下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯負(fù)浣M合:

■ 高速以太網(wǎng)和具有高速媒介冗余的千兆級以太環(huán)網(wǎng)；為了防止傳輸鏈路或者交換機(jī)發(fā)生錯誤，多達(dá)50個SCALANCE X-400交換機(jī)流線型排列連接到一個環(huán)狀網(wǎng)內(nèi)，對于多模的可組成一個總共長達(dá)150km的線路，或者對單?？山M成一個總共長達(dá)3,500 km的線路。當(dāng)環(huán)狀網(wǎng)內(nèi)一個傳輸路徑或者SCALANCE X-400交換機(jī)發(fā)生錯誤，傳輸路徑可在0.3秒內(nèi)重構(gòu)。

■ SCALANCE X-400 支持環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)的冗余連接，同時可以使用快速生成樹冗余連接到公司網(wǎng)絡(luò)。

■ 采用SCALANCE X-400交換機(jī)的星形結(jié)構(gòu)：每個SCALANCE X-400 交換機(jī)有一個星形觸點可通過電信號或者光信號與多達(dá)26個節(jié)點或子網(wǎng)相連。

■ 用來連接雙絞線的數(shù)據(jù)終端，或者網(wǎng)段(10/100/1000Mbit/s)。

3.3   骨干環(huán)網(wǎng)全模塊化交換機(jī), 以及區(qū)域百兆環(huán)網(wǎng)下聯(lián)交換機(jī): SCALANCE XR324

SCALANCE XR300系列骨干工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)適用于組建總線和星形結(jié)構(gòu) (10/100/1000Mbit/s) 的高效能以太網(wǎng)，可靈活構(gòu)建光纖或電氣網(wǎng)絡(luò)?；诮粨Q機(jī)內(nèi)部的管理功能，也可以用于組件光纖或電氣的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。SCALANCE XR系列交換機(jī)采用金屬外殼，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式安裝、無風(fēng)扇設(shè)計。由于其面向變電站應(yīng)用的特殊性，產(chǎn)品設(shè)計更加牢固可靠。冗余電源、更寬溫度工作范圍，均滿足變電站或相應(yīng)惡劣環(huán)境的應(yīng)用需求。

SCALANCE XR監(jiān)控VLAN等各種IT協(xié)議，可以劃分網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對不同網(wǎng)絡(luò)間的安全隔離，以及網(wǎng)絡(luò)流量的優(yōu)化。IGMP Snooping功能使XR系列交換機(jī)在組播應(yīng)用環(huán)境下應(yīng)用自如。當(dāng)工業(yè)網(wǎng)與傳統(tǒng)商用以太網(wǎng)連接時，RSTP和SNTP與傳統(tǒng)商用以太網(wǎng)設(shè)備的兼容性。

SCALANCE XR系列交換機(jī)支持通過 LED 進(jìn)行設(shè)備診斷（電源、鏈路狀態(tài)、數(shù)據(jù)通訊），同時，還可以使用信號觸點、PROFINET、SNMP和Web 瀏覽器的方式對交換機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和診斷。支持C-PLUG存儲介質(zhì)。

設(shè)備接口

MM992-2Cuc：工業(yè)以太網(wǎng)RJ45接口，支持10/100/1000M自適應(yīng)功能，自動極性反轉(zhuǎn)、自交叉。支持Fasconnect快速連接技術(shù)。

MM992-2LD/LH/LH+：1000M以太網(wǎng)光纖模塊，單模傳輸1310/1550nm波長支持G.625光纖。有效傳輸距離10km-140km

MM992-2SFP：光纖介質(zhì)模塊插槽，提供SFP接插件接口。靈活替換接插件替換傳輸模塊，改編光纖傳輸距離。

SFP991-1LD/LH+：光纖SFP接插件單模傳輸1310/1550nm波長支持G.625光纖。有效傳輸距離35km-140km
3.4   網(wǎng)絡(luò)管理軟件: SINEMA SERVER
SINEMA 服務(wù)器是一種為您量身定制的解決方案，能夠提高網(wǎng)絡(luò)容錯率，記錄網(wǎng)絡(luò)信息并將網(wǎng)絡(luò)診斷集成到 SCADA 系統(tǒng)中。利用該軟件可以借助自動生成的拓?fù)鋱D快速便捷地識別有線和無線工業(yè)以太網(wǎng)中的通訊故障。

  診斷信息在 SINEMA 服務(wù)器上記錄并存檔。 為此使用了 SNMP、PROFINET 等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

    SINEMA Server Basic 中收集的信息可以通過標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器(例如 Internet Explorer 或 Firefox)隨時查閱。標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)報告能夠記錄網(wǎng)絡(luò)信息，更完善了 SINEMA Server Basic 的服務(wù)范圍。

特點：

1)自動識別設(shè)備并生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和可視化 24x7

3)用戶地圖

4)通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷

5)對 SCALANCE 和 PROFINET 網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)診斷，包括環(huán)冗余和 WLAN

6)第三方設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)診斷 (SNMPV1/V3)

7)可個性定制的 Web 診斷

8)清晰易懂的網(wǎng)絡(luò)報告

9)事件報警

10)直觀的操作方式。

優(yōu)點：

1)SINEMA 服務(wù)器顯著縮短了對網(wǎng)絡(luò)問題的反應(yīng)時間，是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。它可以幫助削減運行成本，減少停機(jī)時間。

2)該軟件可以簡單地集成在 HMI/SCADA 系統(tǒng)中，如 WinCC。

與其他網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)相比，信息的復(fù)雜性得到了大大簡化，無需專業(yè)知識即可進(jìn)行操作。