西门子SCALANCE X交换机在前进钢铁能源管理系统中的应用

能源管理系统是一个企业级别的系统,其网络范围覆盖全厂,通常有几十或几百个节点组成。作为系统中枢神经的工业以太网的性能及稳定性对于整个系统的稳定运行具有很大作用。

能源管理系统是一个企业级别的系统,其网络范围覆盖全厂,通常有几十或几百个节点组成。作为系统中枢神经的工业以太网的性能及稳定性对于整个系统的稳定运行具有很大作用。

图一:河北前进钢铁有限公司正面图

1.项目简介

河北前进钢铁集团有限公司创建于1986年,,经过十余年经营,公司已发展为集冶金科技、矿业开发、钢铁冶炼、钢材加工、国际贸易为一体的民营钢铁联合企业,成为河北省重点钢铁企业之一,在冶金业享有较高的声誉。

河北前进钢铁能源管理系统是前进钢铁企业自动化和信息化的重要组成部分,是一个集过程监控、能源调度、能源管理为一体的、以计算机技术为基础的管控一体化系统,涵盖了企业产能、用能的主要部门。可以对能源的统一调度、优化能耗平衡、减少煤气放散、提高环保质量、降低吨钢能耗和提高劳动生产率。系统主要负责对电力系统、动力系统和给排水系统数据实行集中监控和管理。通过对能源系统实行集中监测和控制,实现从能源数据采集──过程监控──能源介质消耗分析──能耗管理等全过程自动化、高效化、科学化管理。通过数据分析,可以帮助企事业单位对主要耗能设备进行实时考核,杜绝浪费,并可以帮助企业单位进一步优化使用状况,以降低单位能耗成本,提高企事业单位综合竞争力。

图二:能源管控大厅

2.能源管理系统构成

2.1系统网络结构

能源管理系统是一个企业级别的系统,其网络范围覆盖全厂,通常有几十或几百个节点组成。作为系统中枢神经的工业以太网的性能及稳定性对于整个系统的稳定运行具有很大作用。

能源EMS系统采用C/S及B/S结构,网络架构考虑四层网络。其一是工业以太环网的实时采集网络系统(单独网络),通讯速率1000Mb,实时采集现场数据及设备工艺状态。其二是实时监控网络,通过冗余的分区SCADA服务器及操作站实现现场设备的实时状态监视和操作控制。其三是管理信息网络,利用实时数据库和关系数据库资源,通过管理平台实现能源的合理调配、预测和分析、统计报表打印等功能。其四是与ERP及MES接口网络,通过中间服务器或防火墙实现与ERP、MES的数据信息交换。

图三:能源管理系统网络结构图

如上图:EMS系统网络主要分为三个部分。底层为西门子工业交换机组成的能源环网,上层为H3C商用交换机组成的中央网络,外部为天融信防火墙,用于对外系统通信。其中,在EMS机房内布置两台H3CS5500-28C-EI交换机组成能源中央网络。

2.2能源管理系统工业以太网络架构

在通常的工业以太网结构中,当发生传输介质损坏或有交换机发生意外停机时,会导致信息传输中断。而采用了环网技术,当单点发生故障时,就可切换到备用路由,大大提升了系统的可靠性。而从设备成本的角度考虑,只需在原有系统基础上增加了一条备用光纤。从系统设计和配置的角度看,只需开启工业交换机的环冗余功能,不影响所有的正常的交换功能。就传输介质来说千兆工业以太环网既可以用光纤也可以用双绞线进行组网,具有极大的灵活性。现在大多数厂家的千兆换网交换机能够在300ms内完成切换,这种切换速度满足大多数工业控制对交换机的响应速度的要求。因此在系统中应用千兆工业以太环网,就能以很小的投资解决控制系统中传输链路存在的不可靠问题。各交换机之间采用trunk和西门子的HSR技术连接,保证网络链路冗余。

图四:前进能源系统工业环网

2.2西门子SCALANCEX交换机选型及组网

西门子SCALANCEX系列交换机拥有从入门级交换机(SCALANCEX005与XB000),非网管型交换机(SCALANCEX-100),网管型交换机(SCALANCEX-200),增强型网管交换机(SCALANCEX-300),模块化网管交换机(SCALANCEX-400)、核心级交换机(SCALANCEXR-500)等全套产品线,为组网提供了多种选择和灵活的搭配方式。从可网管的X-200型以上系列的交换机就可以支持环网冗余了。

在前进能源管理系统中,由于节点较多、数据量较大我们在环网主干上主要应用了XR324和X414-3E两款较高端的型号。前进能源管理系统工业网络各个节点间的距离一般在2千米以内,主干网络根据系统要求以千兆速率组网。环上EMS01选用SCALANCEX324,其他环网节点选用SCALANCEX414-3E,分支接入点选用非网管型交换机SCALANCEXB004-1LD。

SCALANCEXR324交换机可以配置不同基本模块满足不同的现场需求,模块有:MM992-2CU(2x10/100/1000Mbit/s)电口模块、MM991-2百兆单/多模模块、MM992-2千兆单/多模模块、100/1000Mbit/s的SFP模块。

SCALANCEX400系列为模块化交换机,以SCALANCEX414-3E交换机为例,在5号插槽上可接入千兆光纤模块,6、7号插槽上可接入百兆光纤模块,如需再增加模块则须在12插槽上接入EM495-8(8个RJ45端口)或EM496-4(4个介质插槽),具体配置组合方式如下图。在能源系统中除环网所用的2个光口外,如接入子站超过2个则需要增加EM496-4,再配置光纤模块。

图五:SCALANCEXR324交换机

3.西门子工业交换机环网配置

3.1西门子SCALANCEX交换机环网配置

在环上以一台交换机作为环管理交换机RM,从RM结点的主、辅两个接口均发送健全探测消息,其他节点在从环接口上收到健全探测消息则反射回去,从而达到对环网的冗余控制。环的状态可分为,正常状态、切换状态和冗余状态。在用西门子工业交换机组环网时需要注意太网总是保持总线型传输结构,在配置完成前,不能闭合环网链路。HSR不可以与其他品牌具有环网协议产品的串接共同组环。在配置前需用PST(西门子初始化软件)为交换机配置IP地址等内容。

在配置环时,为了保证系统的快速重构和稳定运行最多可连接50个交换机在环上。环网中其中一台作为冗余管理器RM,其余交换机作为环成员。在网络正常的情况下RM的环端口中有一个会处于断开状态,此时网络呈现线型的结构。当网络中出现传输介质损坏或有交换机损坏时,环网会自动启用RM中断开的端口,同时可以在300ms内使切换到另一种线型结构。当网络故障排除,可以恢复原有的线型结构。在配置环网的时候,组成环的端口可以是光纤端口,也可以是电气端口。需要注意的是,要使整个环都实现的传输速度,选择作环的端口必须是的光纤或电气端口。

当环状网内一个传输路径或者SCALANCEX-400交换机发生错误时,西门子SCALANCEX-400交换机传输路径可在0.3秒内重构,同时,对于现有网络管理的集成功能通过SNMP进程来实现,能自动把网络情况用E-mail发送给网络管理员,支持VLAN,SCALANCEX-414E还支持3层交换功能(IP路由)。

图六:SCALANCEX414-3E交换机模块配置图

4.应用体会

在结点数较多的环型网络结构中,会出现上百台终端出现在同一LAN区域内的情况,在这种大型的环结构中会出现大量广播、组播影响网络的性能。这时把大环化为几个独立的小环,在各个小环间以三层的方式完成小环间各LAN的通讯可以有效提高网络的性能。在对可靠性要求更高的生产环境中,可采用单机双环,或双机双环的方式提供更可靠的服务,当然成本也成倍的增加。多环组网时协议效率、可靠性、交会节点设备的压力等问题仍旧需要深入研究。

除西门子的HSR协议之外,现阶段实现环网冗余功能各个厂商有各自开发的协议,在实践中有时遇到将两三家厂商的集成在一起的情况,由于各厂商环冗余协议间的互相不支持,经常出现问题。为此国际电工委员会制定了MRP(MediaRedundancyProtocol)协议,这一协议对环网协议进行了标准化,允许不同品牌的设备连接在一起组成环网。西门子的交换机产品也已经全面支持MRP协议了,并且西门子交换机能够自动检测环上采用了哪种冗余协议。

图七:西门子交换机环网配置界面

5.项目运行情况

前进钢铁能源管理系统于2012年底开始实施,到目前已基本上线。系统硬件设备考核过关,系统功能较为完善,对业主能源管理、节能减排工作起到了极为重要的作用,得到了用户的充分肯定。

西门子SCALANCEX系列工业交换机性能完全达到了能源管控系统对交换机的要求,性能稳定,各种通讯协议完备。目前西门子交换机已在装备制造业、冶金行业、大型化工行业能源系统中成功应用,是能源管控系统数据采集模块可靠的网络通讯保障。


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