冗余环网在选煤厂自动控制中的应用.pdf

37 中国机电一体化网 W W W . C A M E T A . O R G . C N 摘 要 本文介绍工业以太网， 光纤冗余环网在选煤厂自动控制中的 应用。 关键词工业以太网；环网冗余；环网交换机 冗余环网在选煤厂自动控制中的应用 李泳平1，董二云2 1 . 河南神火煤业有限公司刘河选煤厂，永城 4 7 6 6 0 0 ； 2 . 河南神火国贸有限公司，永城 4 7 6 6 0 0 0 引言 随着网络化、信息化概念向自动化领域的不断渗 透，选煤厂自动化控制理念和技术也在不断发展。选煤 厂具有监控点数量多、分布广、数据吞吐量大的特点， 快速工业以太网作为选煤厂控制层网络是选煤厂自动控 制网络最优的解决方案，为保证数据通信的可靠，选用 具有冗余功能的光纤环网组建控制层网络。本文以神火 集团刘河选煤厂为例，介绍高速冗余光纤环网在选煤厂 中的应用。 1 工业以太网和冗余环网 1 . 1 工业以太网的发展概况 计算机网络技术的发展十分迅速， E t h e r e n t 从最初 的1 0 M b / s 以太网过渡到1 0 0 M b / s 快速以太网和交换式 以太网，直至发展到今天的千兆以太网和 1 0 G b / s 。 由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数 据传输的通信系统，而且还是一个借助网络完成控制功 能的自控系统，它除了完成数据传输之外，往往还需要 依靠所传输的数据和指令执行某些控制计算与操作功 能，由多个网络节点协调完成自控任务，因而它需要在 应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求， 满足互操作条件。 为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在 E t h e r n e t T C P / I P 协议之上建立完整的、有效的通信服 务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现 场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广 大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议， 进而形成开放的标准。 1 . 2 以太网冗余与环网技术的产生和发展 由于工业环境对工业控制网络可靠性能的超高要 求，工业以太网的冗余功能应运而生。从快速生成树冗 余 R S T P 、环网冗余 R a p i d R i n g T M 到主干冗余 T r u n k i n g T M 都有各自不同的优势和特点，在本文中仅 介绍环网冗余。 环网冗余是在以太网网络中使用环网提供高速冗余 的一种技术。这个技术可以使网络在中断后3 0 0 m s之 内自行恢复。并可以通过交换机的出错继电连接、状态 显示灯和 S N M P设置等方法来提醒用户出现的断网现 象。R a p i d R i n g 技术也支持两个连接在一起的环网，使 网络拓朴更为灵活多样。两个环通过双通道连接，这些 连接可以是冗余的，避免单个线缆出错带来的问题。 2 工业以太网环网冗余控制在刘河选煤厂 的应用 2 . 1 控制系统构成 根据系统要求，在办公楼设集控调度室本地站 （P U 站） ，在主厂房配电室二层，筛分楼配电室，压滤 车间配电室，浓缩车间配电室各设一个 P L C远程站。 集控室工控上位机、本地站、远程站通过工业以太网 相连形成一个统一的控制网，环网部分传输介质采用 光纤，完成对全厂的信号采集、设备控制，工艺参数 调控等功能。 2 . 2 P L C 及成网设备的选用 根据系统设计框架， 刘河选煤厂集控系统控制层采 用了G E F a n u c 9 0 - 3 0 系列P L C 来组建工业以太网冗 余控制系统，系统采用基于R a p i d R i n g T M 技术的工业 以太网环网冗余架构。在控制层网络中C P U模块选用 I C 6 9 3 C P U 3 7 4 ，I O 接口模块为I C 6 9 3 N I U 0 0 4 。通过充 分考虑经济性、可靠性、抗干扰等方面的因素，最终选 用了K I E N 2 0 0 0 - 2 S 环网交换机，采用光纤为主要传输 介质；交换机与P L C之间因距离较短使用超六类网线 或屏蔽网线连接。系统拓扑结构如图1 。 企业应用E N T E R P R I S E A P P L I C A T I O N P L C专栏 38 2 0 0 9 . 0 4 I N T E R N A T I O N A L M E C H A T R O N I C S T E C H N O L O G Y 2 . 3 工业以太环网交换机的功能特点和组网方式 2 . 3 . 1 工业以太环网交换机应具备功能及特点 工业以太环网交换机应具备如下功能及特点 ＊具备1 0 / 1 0 0 B a s e - T X 自适应的工业以太网接口 全双工、半双工 ，支持自动M D I / M D I - X 连接。完备的 接口模式方便灵活选用各型工业以太网组网设备。 ＊具备1 0 0 B a s e - F X 全双工的单模冗余光纤接口。 ＊可以实现光纤环网冗余功能。 ＊小于3 0 0 m s 的快速环网冗余技术．增强了系统 通信的可靠性。 ＊电源告警信息继电器端子输出。 ＊ I E E E 8 0 2 . 3 / 8 0 2 . U / 8 0 2 . 3 X 存储和转发交换方式， 可与商用以太网实现互联。 ＊应具备可冗余的电源供给方式。 2 . 3 . 2 K I E N 2 0 0 0 - 2 S 环网交换机的组网方式 基于K I E N 2 0 0 0 - 2 S 交换机较强的性能，不但可以 根据需要选择多种组网方式，而且其可冗余的光纤接口 及自适应的以太网接口也使操作维护简便易行。两个光 纤接口及六个以太网接口均是等位的，没有主次之分， 也可以灵活的选择现场布线方式。 2 . 4 冗余环网的工作机理分析 2 . 4 . 1 光纤以太环的组成 调度室与生产车间控制系统采用五台工业交换机组 成的1 0 0 M 工业光纤冗余环网。并通过光缆与调度室网 络系统良好结合。本方案所有工业网络交换机通过光纤 汇集到调度中心的交换机上。然后通过服务器进行管 理。如图所示，如果在系统工作时交换机的连接介质发 生故障，环形结构将在小于3 0 0 m s 时间内切换网络工 作拓扑结构。不影响整个系统的工作，从而保证了系统 的可靠性。而且在同样的冗余度下，冗余环网结构不仅 减少了风险的集中，更降低了实现成本。可以灵活的与 其他网络交换机接入。良好的安全特性能够保证数据安 全传输。 2 . 4 . 2 冗余环网工作原理分析 工业冗余环网的设计是为了实现在恶劣环境下， 数 据传输的稳定性、可靠性和实时性。物理连接上成环 型，工作时整个网络成链状结构，一旦有一段网络发生 故障，在冗余作用下，数据通路得以重新整合，就是原 来没有数据通过的那段链路马上进行数据传输，整个切 换时间 3 0 0 毫秒。整个网络还是呈链状工作状态，从 而实现冗余。当损坏的网络修复后，网络恢复到初始工 作状态。 所采用工业以太网交换机应满足温度 - 3 5 ℃- 7 5 ℃。 环境相对湿度1 0 - 9 5 无凝露 。I P 3 0 防护等级，铝 制外壳，无风扇设计。电磁兼容符合E N 5 0 0 8 2 - 2 标准。 2 . 4 . 3 网络优势分析 采用以太网作为交换传输和接入平台的优势十分明 显，其一是巨大的网络基础和长期的经验知识，以及目 前所有流行的操作系统和应用也都与以太网兼容；其 二，以太网性能价格比好，初始成本和运营成本均较 低；另外，以太网的扩展性好，容易安装开通，并且可 靠性较高。以太网接入采用异步工作方式，很适合于处 理I P 突发数据流。 从技术上看，以太网是一种很简单的解决方案，只 需要最少量的规划、设计和测试工作，应用多年，为用 户所熟悉，系统架构仅需几个小时或几天；其次，以太 网是标准技术，互换互操作性好，具有广泛的软硬件支 持，初期投资及扩展成本较低。 从结构上看， 以太网正以前所未有的端到端解决方 案面目出现，消去了其他解决方案所必不可少的网络边 界处的格式变换，减少了网络的复杂性。同时，以太网 是具有很好扩展性的解决方案， 其速率可以从1 0 M b i t s / s 、 1 0 0 M b i t s / s 、 1 G b i t s / s 一直扩展到1 0 G b i t / s 。 从管理上看， 由于同样的系统可以应用在网络的各 个层面上，因此，网络管理可以大大简化。 2 . 4 . 4 解决方案 综上所述，我们根据使用需求选用 K I E N 2 0 0 0 - 2 S 工业以太网交换机组建工业级冗余环网。 K I E N 2 0 0 0 工业以太网交换机设备特点 ＊采用工业级元器件和专门设计， 确保产品的高可 靠性。 ＊可在极端的温度范围内稳定工作， 能适应工业现 场恶劣的工作环境。 ＊本产品组网十分灵活，可组成超级光纤自愈环 网、超级以太网自愈环网，方便了用户的使用。 ＊上联冗余的1 0 / 1 0 0 M b i t / s 双绞线端口， 利用上联 图1 系统拓扑结构图 【下转第4 0 页】 企业应用E N T E R P R I S E A P P L I C A T I O N P L C专栏 40 2 0 0 9 . 0 4 I N T E R N A T I O N A L M E C H A T R O N I C S T E C H N O L O G Y 境温度高，夏天温度超过6 0 ℃，经常有水蒸汽弥漫。而 O S M 1 5 0系直反式激光测距装置，采用二级安全激光 光源，最大检测距离3 0米。相对于传统长距离激光测 距产品的主要特点是没有反射板，能够避免在高温时因 反射板变形产生的误动作。此外，它是智能型设备，输 出有报警、减速、停车等多种功能指令，安装调试很方 便，只需做简单的编程处理即可。 O S M 1 5 0系列分为四款产品，在其基本参数相同 的情况下，输出形式略有区别，以满足不同客户需求。 对于钢厂行车防护应用，选择此系列中的开关量输出类 型就可以完全胜任。所有 O S M 1 5 0系列产品的现场安 装极为方便，因为他们均采用8 针引脚连接设计，包括 电源、输出及示教引脚，仅需接驳5 根线缆，又由于没 有反光板限制，用肉眼就可以进行水平调节完成基本安 装，现场工程师只需进行简单培训即可自行进行安装调 节。武钢项目中宜科公司的工程师只在现场指导安装了 一套产品，其余七套产品均为该厂人员自行安装。 O S M 1 5 0产品提供 Q 1 ～Q 3三路开关量输出以提 供现场预警、报警、紧急停车信号，使用者可以对每一 路开关量检测范围进行自行设置，更改操作简便，且输 出信号可以接入P L C 或直接通过继电器用于相关控制， 线路简单检修方便。 据悉，从最初试用产品到现在，O S M 1 5 0 已在武钢 现场运行超过半年，有效保证了出坯跨吊车 2 4小时不 间断安全运行。此期间该装置始终处于免维护状态，大 大节省了设备维护人员的工作时间。 卓越的产品性能是 O S M 1 5 0产品“俘获”武钢之 心的原因，更是此款产品取得成功的有力保障。心，可 以勾勒梦想的舞台；实力，可以让我们驰骋漫漫天际 相信宜科 O S M 1 5 0系列产品凭借其卓越实力定能在中 国自动化市场这片天空中翼振于天□ 文章编号0 9 0 4 1 0 发送短信“文章编号 评语代码” 至1 3 4 2 6 3 9 8 4 2 0 ， 告诉我们您对此文的 意见。 1 - 很好，有很高的参考价值 2 - 一般，有一定的参考价值 3 - 不好，没有参考价值 冗余接口，可以组成自愈环网。提高系统可靠性。 ＊具有先进的解环自愈功能， 当环网中某处出现故 障时，通讯数据能够快速切换到备用网络上，保证网络 通讯正常，自愈时间小于3 0 0 m s 。 ＊支持电口自动协商功能，无需配置，可自动与对 端电口设置保持一致。 ＊2 4 V冗余供电模式。 ＊坚固而精致的外形结构设计， 具有一定的防护等 级。产品提供多种安装方式，如卡轨式、壁挂式等，适 用于不同的安装条件。以上是产品的基本特点，我们如 果在光缆铺设允许的情况下，组建自愈环网，不仅节约 了设备资金成本，而且最大限度的发挥了设备的网络高 可靠性优势。 2 . 5 存在问题和解决办法 在本文中应用的K I E N 2 0 0 0 交换机，由于是非网管 型，在光纤环路出现问题时（如图1 假设A - B 段） ，上 位机不能通过网络及时获得故障信号，如在该环其它位 置（假设D - E 段） 再出现同类问题时，就可能会造成环 网 B 、C 、D段 P L C因系统失控而导致事故的发生，并 可能会造成整个控制系统的瘫痪。为避免出现此类问题， 需加强对系统进行巡视，通过其指示灯及时判断故障状 态采取补救措施，可最大程度减少此类事故的发生。 为从根本上解决该问题， 建议经济条件许可的企业 选择具备网管功能的 K I E N 6 0 0 0 - 2 S交换机取代 K I E N 2 0 0 0 型交换机，通过运行基于w e b 的网管软件可 有效监控环网系统的运行状态，必要时可进行处理。□ 参考文献 [ 1 ] 郭培志, 胡炳华. 工业以太网M o d b u s T C P / I P 在发 电厂辅控网系统中的应用. 南京 工业控制计算机, 2 0 0 8 . [ 2 ] 李晶, 冯明志, 张平, 吕健. P R O F I B U S 总线与以太网 之间的冗余通讯研究. 上海 柴油机, 2 0 0 8 . [ 3 ] 佚名. 东土电信K I E N 6 0 0 0 工业以太网交换机. 北 京 世界仪表与自动化, 2 0 0 6 . [ 4 ] 王平. 工业以太网技术. 北京 科学出版社, 2 0 0 7 . [ 5 ] 蔡忠勇. 现场总路线与工业以太网产品手册. 北京 机械工业出版社, 2 0 0 7 . 文章编号0 9 0 4 0 9 发送短信“文章编号 评语代码” 至1 3 4 2 6 3 9 8 4 2 0 ， 告诉我们您对此文的 意见。 1 - 很好，有很高的参考价值 2 - 一般，有一定的参考价值 3 - 不好，没有参考价值 【上接第3 8 页】