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

1.網(wǎng)絡需求
1.1   總則

全廠能源管理系統(tǒng)的計量數(shù)據(jù)應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)設計規(guī)劃中應得到足夠的重視,以確保這些數(shù)據(jù)真正為生產(chǎn)服務、為經(jīng)營決策服務、為成本管理服務。將全廠能源管理系統(tǒng)設計成基于以太網(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)絡結(jié)構設計原則：

-         網(wǎng)絡結(jié)構及配置成熟、穩(wěn)定、安全、可靠和方便維護。

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

-         完善的網(wǎng)絡安全技術措施。

-         與信息化主干網(wǎng)絡的規(guī)劃設計協(xié)調(diào)*，采用合理的工業(yè)網(wǎng)絡路由，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。

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

         -        網(wǎng)絡可擴展，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，現(xiàn)場分區(qū)域設置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，包括I/O實時數(shù)據(jù)采集服務器、操作站、技術管理站、數(shù)據(jù)庫/實時數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器、工程師站、GPS、網(wǎng)絡打印機等，管理網(wǎng)絡的
2.西門子網(wǎng)絡方案
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)交換機放置在冶鋼能源管控中心機房，在中央以太網(wǎng)交換機側(cè)留有與公司ERP的接口，中央以太網(wǎng)與ERP間設置有防火墻進行隔離防護。

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)采集服務器與現(xiàn)場各生產(chǎn)、公輔單元的控制系統(tǒng)、采集設備等。

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)絡設備。網(wǎng)絡交換機均為工業(yè)級可網(wǎng)管交換機設備，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸能力滿足能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡的要求，具備較高的網(wǎng)絡拓展及改造能力。能源管控中心設置的操作站都可以通過網(wǎng)絡訪問、操作底層的能源管理設備。
2.2   方案具體說明
    2.2.1   主環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡介紹

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，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), 當環(huán)網(wǎng)內(nèi)的任意一條鏈路出現(xiàn)中斷的時候，網(wǎng)絡可以在30ms之內(nèi)恢復數(shù)據(jù)通信，確保主干網(wǎng)絡的高可用性。骨干網(wǎng)絡提供的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)絡流量進行劃分并優(yōu)化流量。全網(wǎng)支持SNTP，3ms精度時鐘同步?；赑ROFINET RT（Real Time）標準以數(shù)據(jù)4級優(yōu)先級隊列，提供QoS服務。
2.2.2   區(qū)域子網(wǎng)絡介紹(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；預留140區(qū)域六處各安裝工業(yè)以太網(wǎng)交換機一臺，這六臺交換機之間采用光纖連接，組成100M單模工業(yè)以太網(wǎng)（HSR）冗余環(huán)網(wǎng), 當環(huán)網(wǎng)內(nèi)的任意一條鏈路出現(xiàn)中斷的時候，網(wǎng)絡可以在30ms之內(nèi)恢復數(shù)據(jù)通信。同時按照最短路徑的原則，在這6臺子網(wǎng)絡交換機中任選兩臺交換機，通過100M單模光纖上連到安裝在鋼管辦公室的主干網(wǎng)絡交換機，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)恢復數(shù)據(jù)通信。
2.3  

網(wǎng)絡方案示意圖
 

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)絡采用主干和區(qū)域環(huán)網(wǎng)加星型分支的結(jié)構。

考慮到主環(huán)網(wǎng)的節(jié)點擴充分支的需要，主節(jié)點采用全千兆設備，最少可以提供24個千兆端口（光或電，全模塊化設計），并且為分支節(jié)點的接入，提供充分的可擴充性。主干環(huán)網(wǎng)的交換機應該提供至少4個千兆單模網(wǎng)絡接口，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)點交換機為支持standby功能的網(wǎng)管型交換機，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)交換機還需配有足夠口；為滿足所在區(qū)域附近的RTU設備可擴充的接入需求，要求區(qū)域環(huán)網(wǎng)其余的節(jié)點交換機至少提供24個端口的全模塊化網(wǎng)絡設備。

為減少故障恢復時間，提高系統(tǒng)可用性。選用的交換機需1：1配置內(nèi)置的配置存儲卡用于故障時的快速設備替換。交換機RJ45接口需配置保護擋板，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: Scalance XR500


核心交換機

SCALANCE XR-500 交換機系列的萬兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機適用于組建環(huán)形線和星形結(jié)構(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)級機架式工業(yè)以太網(wǎng)交換機，該產(chǎn)品為帶有多種連接介質(zhì)的網(wǎng)絡組件的大型網(wǎng)絡所設計。

*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，能夠很靈活地應用于網(wǎng)絡環(huán)境，更好地保證網(wǎng)絡QoS質(zhì)量。通過賦予某數(shù)據(jù)包更高的優(yōu)先權或是降低其他數(shù)據(jù)包的優(yōu)先權來給定某一具體數(shù)據(jù)包的優(yōu)先權。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)信息的重要性重設信息流通的順序。利用QoS，可以預測網(wǎng)絡的性能、更加有效地管理帶寬。

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

有效利用網(wǎng)絡資源能滿足所有應用所需的帶寬，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，QoS有助于網(wǎng)絡應用為用戶提供不同的服務。它把*帶寬分配給更重要的、能產(chǎn)生即時流量的應用，比如：音頻、視頻等。

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

-嚴格的優(yōu)先級排序（SP）

-差額輪循調(diào)度(DRR)

-加權輪循調(diào)度（WRR）。

XR500提供擴展的高端功能，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: SCALANCE X414-3E

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

靈活構建電氣或光學工業(yè)以太網(wǎng)；網(wǎng)絡拓撲結(jié)構、端口類型以及數(shù)量都可很容易地適配不同的網(wǎng)絡結(jié)構。具有高度的網(wǎng)絡可用性，這是由于，例如，具有基于光纖環(huán)網(wǎng)冗余性的冗余網(wǎng)絡結(jié)構，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)，可在沒有編程機時更換設備; 配置數(shù)據(jù)或者應用數(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)知識這些設置還可簡單地通過將存儲卡插入另一個更換設備而傳入。

SCALANCE X414-3E有一個模塊化結(jié)構，利用這個結(jié)構中，介質(zhì)模塊和/或者擴展模塊可根據(jù)需要連接到交換機上。這些擴展可提供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備上。通過介質(zhì)設備可實現(xiàn)連接光纖。

可以構成以下網(wǎng)絡拓撲和拓撲組合:

■ 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發(fā)生錯誤，多達50個SCALANCE X-400交換機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150km的線路，或者對單?？山M成一個總共長達3,500 km的線路。當環(huán)狀網(wǎng)內(nèi)一個傳輸路徑或者SCALANCE X-400交換機發(fā)生錯誤，傳輸路徑可在0.3秒內(nèi)重構。

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

■ 采用SCALANCE X-400交換機的星形結(jié)構：每個SCALANCE X-400 交換機有一個星形觸點可通過電信號或者光信號與多達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, 以及區(qū)域百兆環(huán)網(wǎng)下聯(lián)交換機: SCALANCE XR324

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

SCALANCE XR監(jiān)控VLAN等各種IT協(xié)議，可以劃分網(wǎng)絡，實現(xiàn)對不同網(wǎng)絡間的安全隔離，以及網(wǎng)絡流量的優(yōu)化。IGMP Snooping功能使XR系列交換機在組播應用環(huán)境下應用自如。當工業(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)設備的兼容性。

SCALANCE XR系列交換機支持通過 LED 進行設備診斷（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進行遠程管理和診斷。支持C-PLUG存儲介質(zhì)。

設備接口

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

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)絡管理軟件: SINEMA SERVER
SINEMA 服務器是一種為您量身定制的解決方案，能夠提高網(wǎng)絡容錯率，記錄網(wǎng)絡信息并將網(wǎng)絡診斷集成到 SCADA 系統(tǒng)中。利用該軟件可以借助自動生成的拓撲圖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 服務器上記錄并存檔。 為此使用了 SNMP、PROFINET 等標準協(xié)議。

    SINEMA Server Basic 中收集的信息可以通過標準瀏覽器(例如 Internet Explorer 或 Firefox)隨時查閱。標準化的網(wǎng)絡報告能夠記錄網(wǎng)絡信息，更完善了 SINEMA Server Basic 的服務范圍。

特點：

1)自動識別設備并生成網(wǎng)絡拓撲

2)網(wǎng)絡監(jiān)測和可視化 24x7

3)用戶地圖

4)通過網(wǎng)絡瀏覽器進行遠程診斷

5)對 SCALANCE 和 PROFINET 網(wǎng)絡的詳細診斷，包括環(huán)冗余和 WLAN

6)第三方設備的標準診斷 (SNMPV1/V3)

7)可個性定制的 Web 診斷

8)清晰易懂的網(wǎng)絡報告

9)事件報警

10)直觀的操作方式。

優(yōu)點：

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

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)絡管理系統(tǒng)相比，信息的復雜性得到了大大簡化，無需專業(yè)知識即可進行操作。