詹少偉南京天溯自動(dòng)化控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京 210019

鋼鐵企業(yè)能源管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)探討

詹少偉
南京天溯自動(dòng)化控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京 210019

鋼鐵企業(yè)實(shí)施能源管控系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。本文依據(jù)鋼鐵企業(yè)自身特點(diǎn)，探討了鋼鐵企業(yè)能源管控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)、典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)用、合理的能源管控系統(tǒng)，將為鋼鐵企業(yè)的全方位節(jié)能提供充分支撐。

能源管控系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)隔離

企業(yè)能源管控系統(tǒng)的主要功能是對分散的能源數(shù)據(jù)采集及控制進(jìn)行集中地管理調(diào)度，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)能源供需平衡及能源預(yù)測，為在生產(chǎn)全過程中實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能、降耗和環(huán)保的目標(biāo)創(chuàng)造條件。具體到鋼鐵企業(yè)，其能源管控系統(tǒng)是通過對水、電、風(fēng)、氣等各種介質(zhì)進(jìn)行綜合采集和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)操作、調(diào)度和管理一體化，從而達(dá)到降低企業(yè)綜合能耗，提高市場競爭力的目標(biāo)。

1 能源管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

能源管控系統(tǒng)是企業(yè)信息化系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它是企業(yè)級的系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)范圍覆蓋全廠。鋼鐵企業(yè)內(nèi)的各生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相對獨(dú)立，而能源管控系統(tǒng)則需要借助這些生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采集到必要的數(shù)據(jù)，即這些原本相互獨(dú)立的各生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不可避免地被相互聯(lián)系起來，被納入能源管控系統(tǒng)采集網(wǎng)中。能源管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重要任務(wù)就是確保各生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)不受網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的影響。

另一方面，鋼廠內(nèi)分散在各現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境相對較為惡劣，網(wǎng)絡(luò)通道也較零散，各類分支網(wǎng)絡(luò)及主干網(wǎng)的穩(wěn)定可靠性直接影響采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和通訊采集設(shè)備的運(yùn)行可靠性，綜合考慮其供電可靠性和安裝接線等工程實(shí)施因素，并預(yù)留備用通道和網(wǎng)絡(luò)接口。對于主干網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用冗余設(shè)計(jì)，即遭遇故障時(shí)能快速自愈合，一般考慮采用雙網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)或雙環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)，具體選擇時(shí)依據(jù)實(shí)際投資情況而定。各生產(chǎn)中心的數(shù)據(jù)匯聚起來后送往主站系統(tǒng)的前置處理模塊，要求高可靠性、各子網(wǎng)間嚴(yán)格隔離。主干網(wǎng)的典型配置一般為1 000Mb/s的光纖環(huán)網(wǎng)，對于大型鋼鐵企業(yè)，采集數(shù)據(jù)量非常大的情況下，建議采用雙環(huán)網(wǎng)，以便雙網(wǎng)自動(dòng)優(yōu)化分配網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

2.3 主站網(wǎng)

主站網(wǎng)是能源管控系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，應(yīng)采用雙網(wǎng)配置，相應(yīng)地，諸如SCADA服務(wù)器、存儲服務(wù)器及WEB發(fā)布服務(wù)器等主站各服務(wù)器也應(yīng)采用主備冗余、自動(dòng)切換的配置。主站網(wǎng)里需選用高性能的交換機(jī)，既要能便利主站系統(tǒng)各應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)的切換，又應(yīng)方便進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。對外轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，一般是連接至企業(yè)辦公網(wǎng)，與ERP等系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主要考慮利用防火墻進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)隔離。

典型的鋼鐵能源管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡要示意見圖1。從圖中可看出，各采集子網(wǎng)通過光纖環(huán)網(wǎng)連接，組成主干網(wǎng)，并經(jīng)前置交換機(jī)聯(lián)通至主站的前置服務(wù)器，這樣，前置服務(wù)器就可以和現(xiàn)場的各采集系統(tǒng)建立通道，進(jìn)行信號采集，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給主站應(yīng)用程序進(jìn)行處理、分析、展示以及發(fā)布。

2 能源管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)能源管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理、展示及轉(zhuǎn)發(fā)的一系列功能需求，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，從下到上一般應(yīng)遵循三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：采集子網(wǎng)、主干網(wǎng)、主站網(wǎng)。其中，主站網(wǎng)包含對外轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)。

2.1 采集子網(wǎng)

采集子網(wǎng)分布在各具體的生產(chǎn)車間內(nèi)，以PLC控制器或遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)為核心，采集各工藝數(shù)據(jù)和能源介質(zhì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)?？紤]現(xiàn)場通信的負(fù)載需求，一般采用10/100Mb/s自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，以便與生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)接合。設(shè)計(jì)中需按照因地制宜、光電網(wǎng)絡(luò)相互配合、就近接入的原則，盡可能保持各生產(chǎn)車間的原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變。

2.2 主干網(wǎng)

主干網(wǎng)以防火墻和環(huán)網(wǎng)交換機(jī)為典型代表，將來自

圖1 鋼鐵能源管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

3 能源管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 采集子網(wǎng)與主干網(wǎng)間的隔離和地址轉(zhuǎn)換

采集子網(wǎng)分布在鋼廠的各個(gè)分廠里，如高爐、煉鋼廠、棒材廠、軋鋼廠、燒結(jié)廠等處。一般每個(gè)分廠設(shè)置一個(gè)采集子站，采取就近原則將此分廠內(nèi)的各類信號通

過光、電網(wǎng)絡(luò)匯集至該采集子站。因各采集子站的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜多樣，網(wǎng)段不統(tǒng)一，采集子網(wǎng)需安裝防火墻或工業(yè)防護(hù)網(wǎng)關(guān)，且它們需配置足夠的光電轉(zhuǎn)換模塊。各工藝現(xiàn)場的PLC系統(tǒng)以及變電站的遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)經(jīng)各自通道連至防火墻，距離較遠(yuǎn)就采用光通道，距離近則直接用網(wǎng)線。這樣，不論采集子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)如何復(fù)雜多樣，最終各類信號匯集至防火墻，由防火墻對各通道進(jìn)行地址映射、轉(zhuǎn)換并實(shí)施網(wǎng)絡(luò)隔離，即將現(xiàn)場不同網(wǎng)段轉(zhuǎn)變?yōu)橥痪W(wǎng)段后，經(jīng)工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)繼續(xù)上送數(shù)據(jù)。因當(dāng)下的工業(yè)防護(hù)網(wǎng)關(guān)還具有多協(xié)議分析和過濾功能，建議用它來替代傳統(tǒng)的防火墻。

3.2 主干網(wǎng)的冗余模式設(shè)計(jì)

各分廠的工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)及分廠間的光纖通道共同構(gòu)筑起主干環(huán)網(wǎng)。主干環(huán)網(wǎng)需進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)和配置，以確保發(fā)揮環(huán)網(wǎng)的故障自愈和故障定位功能。在完整的光纖環(huán)網(wǎng)鏈路中，指定一臺環(huán)網(wǎng)交換機(jī)為冗余管理機(jī)，則會(huì)產(chǎn)生一條冗余鏈路。冗余管理機(jī)自始至終都在向環(huán)網(wǎng)發(fā)送診斷幀，正常情況下冗余鏈路上只傳遞診斷幀而無數(shù)據(jù)幀，見圖2中的上側(cè)圖示意。一旦環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)一處斷點(diǎn)，冗余管理機(jī)收不到診斷幀，則它會(huì)在300ms內(nèi)愈合冗余鏈路，讓數(shù)據(jù)幀從冗余鏈路繼續(xù)傳遞，以保證數(shù)據(jù)通訊的正常，見圖2中的下側(cè)圖示意。當(dāng)斷點(diǎn)修復(fù)后，冗余鏈路又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)至原來的冗余狀態(tài)。經(jīng)有效配置后，主干環(huán)網(wǎng)的這種冗余模式，能充分保證能源管控系統(tǒng)龐大采集網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性。

4 結(jié)論

鋼鐵能源管控系統(tǒng)的采集大網(wǎng)，由能源控制中心延伸至整個(gè)鋼廠的各個(gè)角落，在能源管控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及施工中，確保主生產(chǎn)流程平穩(wěn)運(yùn)行是關(guān)鍵前提，即需有效隔離各類網(wǎng)絡(luò)、盡量保持原有各生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在建立了安全可靠的采集網(wǎng)基礎(chǔ)上，繼續(xù)考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的冗余設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)而為能源數(shù)據(jù)優(yōu)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，最終達(dá)到為企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效、節(jié)能減排之目標(biāo)。

圖2 主干環(huán)網(wǎng)冗余模式的原理

［1］張德欽.大型鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2013：390-394.

［2］楊曉帆.基于環(huán)網(wǎng)冗余工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的鋼鐵能源管控系統(tǒng)［J］.大理學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，11（10）：97-100.

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TP3

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1674-6708（2016）168-0128-01

詹少偉，工程師，研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)集成項(xiàng)目的管理。