西门子以太网交换机在冶金行业EMS项目的应用

　　1.网络需求

　　1.1   总则

　　全厂能源管理系统的计量数据应能作为公司各工序环节核算能源消耗成本的合格数据，在系统设计规划中应得到足够的重视,以确保这些数据真正为生产服务、为经营决策服务、为成本管理服务。将全厂能源管理系统设计成基于以太网的数据通信系统，包括数据采集站在内的全部系统设备能很好地支持以太网通信协议，将使系统的总体性能得以提高。

　　1.2   EMS网络结构设计原则：

　　-　网络结构及配置成熟、稳定、安全、可靠和方便维护。

　　-　工业网络采用国际的主流工业级产品。

　　-　完善的网络安全技术措施。

　　-　与信息化主干网络的规划设计协调一致，采用合理的工业网络路由，独立的传输介质。

　　-　适合能源公辅系统分散控制、集中管理的要求。

　　-　应采用尽可能少的通信接口规约类型,以确保性能。

　　-　网络可扩展，有足够的能力余量。

　　1.3   需求简述

　　某钢厂EMS系统采用独立专用网络，现场分区域设置5个百兆环网，这5个区域环网通过冗余链路上联到上层的千兆主环网，主环网的上层是中央以太网，中央以太网用于连接管理网络，包括I/O实时数据采集服务器、操作站、技术管理站、数据库/实时数据库服务器、应用服务器、工程师站、GPS、网络打印机等，管理网络的。

　　2.西门子网络方案:

　　2.1   方案简述

　　中央以太网为支持冗余的千兆单模光纤环网，中央以太网交换机放置在冶钢能源管控中心机房，在中央以太网交换机侧留有与公司ERP的接口，中央以太网与ERP间设置有防火墙进行隔离防护。

　　主环网为千兆单模光纤冗余环网，通过5个区域环网连接冶钢EMS的数据采集服务器与现场各生产、公辅单元的控制系统、采集设备等。

　　现场的5个区域环网为百兆单模环网，连接PLC、DCS和RTU数据采集站等网络设备。网络交换机均为工业级可网管交换机设备，网络数据传输能力满足能源管理系统网络的要求，具备较高的网络拓展及改造能力。能源管控中心设置的操作站都可以通过网络访问、操作底层的能源管理设备。

　　2.2   方案具体说明

　　2.2.1   主环网网络介绍

　　为了在某钢厂的六个主站点之间建立稳定、可靠、高速的工业以太网网络，在某钢六个站点的钢管办公室、20万气柜区域、四炼钢办公室、计算中心大楼、炼钢调度室、一轧调度室各安装千兆级工业以太网一台，这六台交换机之间采用单模光纤连接，组成1000M工业以太网（HSR）冗余环网, 当环网内的任意一条链路出现中断的时候，网络可以在30ms之内恢复数据通信，确保主干网络的高可用性。骨干网络提供的1000Mbit/s全双工线速交换能力（实际提供2000Mbit/s双向带宽）。并可通过IEEE802.1q的VLAN划分方式，对各子系统网络流量进行划分并优化流量。全网支持SNTP，3ms精度时钟同步。基于PROFINET RT（Real Time）标准以数据4级优先级队列，提供QoS服务。

　　2.2.2   区域子网络介绍(以钢管区域为例)

　　在钢管办公室区域的170区域；460区域；273区域；四总降；水处理；预留140区域六处各安装工业以太网交换机一台，这六台交换机之间采用光纤连接，组成100M单模工业以太网（HSR）冗余环网, 当环网内的任意一条链路出现中断的时候，网络可以在30ms之内恢复数据通信。同时按照最短路径的原则，在这6台子网络交换机中任选两台交换机，通过100M单模光纤上连到安装在钢管办公室的主干网络交换机，这两条链路互为备份，在主链路中断的情况下，备份链路能在300ms内恢复数据通信。

　　2.3　网络方案示意图

　　由于某钢的EMS采集点分布比较广，点数比较多，故整个网络采用主干和区域环网加星型分支的结构。

　　考虑到主环网的节点扩充分支的需要，主节点采用全千兆设备，最少可以提供24个千兆端口（光或电，全模块化设计），并且为分支节点的接入，提供充分的可扩充性。主干环网的交换机应该提供至少4个千兆单模网络接口，其中2个千兆光口用于组环。

　　区域环网的上联主环网的节点交换机为支持standby功能的网管型交换机，提供2个百兆单模接口双链路上联需求和2个百兆单模组环需求，同时，区域环网的下联交换机还需配有足够口；为满足所在区域附近的RTU设备可扩充的接入需求，要求区域环网其余的节点交换机至少提供24个端口的全模块化网络设备。

　　为减少故障恢复时间，提高系统可用性。选用的交换机需1：1配置内置的配置存储卡用于故障时的快速设备替换。交换机RJ45接口需配置保护挡板，防止线缆因拉伸出现的虚接。

　　3.产品综述

　　3.1　核心交换机: Scalance XR500

　　SCALANCE XR-500 交换机系列的万兆工业以太网交换机适用于组建环形线和星形结构(10/100/1000/10000 Mbit/s) 的高效能工业以太网。SCALANCE XR552/XR528 是核心级、工业级机架式工业以太网交换机，该产品为带有多种连接介质的网络组件的大型网络所设计。

　　完全的模块化保障了用户需求的极大实现：单个介质模块提供较小的端口密度4，进一步提高了系统可靠性，同时用户可根据具体需求选择任意的介质模块。如XR528-6M提供多达28个1000/10000M 端口，可插入6个介质模块，每个介质模块具有4个端口；同时提供4个10G SFP 插槽。而XR552-12M提供高达52个1000/10000端口，则可以插入12个介质模块，并提供4个10G SFP 插槽。

　　基于XR500强大的QoS控制，提供了比较丰富的QoS控制方法，能够很灵活地应用于网络环境，更好地保证网络QoS质量。通过赋予某数据包更高的优先权或是降低其他数据包的优先权来给定某一具体数据包的优先权。通常数据包信息是按照时间顺序流通的，先来先通过。这种流通方式不会优先处理特定的信息，如果遇到信息负荷，容易引起信息流通混乱，但是QoS 可根据信息的重要性重设信息流通的顺序。利用QoS，可以预测网络的性能、更加有效地管理带宽。

　　控制网络资源，QoS 可以有效地控制带宽。网络流量限制非紧急应用的带宽（如FTP文件传输），这样其他应用就能得到更多的带宽。

　　有效利用网络资源能满足所有应用所需的带宽，从而保证工作性能的可靠性。QoS保证了重要而又紧急的信息及时转发。

　　定制化服务，QoS有助于网络应用为用户提供不同的服务。它把特有带宽分配给更重要的、能产生即时流量的应用，比如：音频、视频等。

　　XR500核心交换机QoS的操作方式，即来包根据配置条件分类，加标签和解标签之后，交换机把分类完的的和处理过的包通过相应的调度算法进行传输。XR500提供了以下调度算法：

　　-　严格的优先级排序（SP）

　　-　差额轮循调度(DRR)

　　-　加权轮循调度（WRR）。

　　XR500提供扩展的高端功能，如管理端口，三层交换功能刷新卡，介质模块热插拔，3层交换，冗余路由，IPV6；

　　3.2   骨干环网三层交换机: SCALANCE X414-3E

　　SCALANCE X414-3E产品系列是适合为高性能网络建立线型，星形和环状结构(10/100/1000 Mbit/s) 的工业以太网络交换机。

　　灵活构建电气或光学工业以太网；网络拓扑结构、端口类型以及数量都可很容易地适配不同的网络结构。具有高度的网络可用性，这是由于，例如，具有基于光纤环网冗余性的冗余网络结构，集成有冗余管理器，具有冗余电压馈入或者可在运行过程中交换和扩展介质模块。

　　通过插入式C-PLUG交换介质，可在没有编程机时更换设备; 配置数据或者应用数据安全地保存在C-PLUG插入式交换介质中，而且即使没有专业知识这些设置还可简单地通过将存储卡插入另一个更换设备而传入。

　　SCALANCE X414-3E有一个模块化结构，利用这个结构中，介质模块和/或者扩展模块可根据需要连接到交换机上。这些扩展可提供8个附加的电信和光纤接口。

　　在SCALANCE X414-3E之间可建立千兆级连接；双绞线用户可直接连到基本的设备上。通过介质设备可实现连接光纤。

　　可以构成以下网络拓扑和拓扑组合:

　　■　高速以太网和具有高速媒介冗余的千兆级以太环网；为了防止传输链路或者交换机发生错误，多达50个SCALANCE X-400交换机流线型排列连接到一个环状网内，对于多模的可组成一个总共长达150km的线路，或者对单模可组成一个总共长达3,500 km的线路。当环状网内一个传输路径或者SCALANCE X-400交换机发生错误，传输路径可在0.3秒内重构。

　　■　SCALANCE X-400 支持环形网结构的冗余连接，同时可以使用快速生成树冗余连接到公司网络。

　　■　采用SCALANCE X-400交换机的星形结构：每个SCALANCE X-400 交换机有一个星形触点可通过电信号或者光信号与多达26个节点或子网相连。

　　■　用来连接双绞线的数据终端，或者网段(10/100/1000Mbit/s)。

　　3.3   骨干环网全模块化交换机, 以及区域百兆环网下联交换机: SCALANCE XR324

　　SCALANCE XR300系列骨干工业以太网交换机适用于组建总线和星形结构 (10/100/1000Mbit/s) 的高效能以太网，可灵活构建光纤或电气网络。基于交换机内部的管理功能，也可以用于组件光纤或电气的环形拓扑结构网络。SCALANCE XR系列交换机采用金属外壳，标准机架式安装、无风扇设计。由于其面向变电站应用的特殊性，产品设计更加牢固可靠。冗余电源、更宽温度工作范围，均满足变电站或相应恶劣环境的应用需求。

　　SCALANCE XR监控VLAN等各种IT协议，可以划分网络，实现对不同网络间的安全隔离，以及网络流量的优化。IGMP Snooping功能使XR系列交换机在组播应用环境下应用自如。当工业网与传统商用以太网连接时，RSTP和SNTP与传统商用以太网设备的兼容性。

　　SCALANCE XR系列交换机支持通过 LED 进行设备诊断（电源、链路状态、数据通讯），同时，还可以使用信号触点、PROFINET、SNMP和Web 浏览器的方式对交换机进行远程管理和诊断。支持C-PLUG存储介质。

　　设备接口

　　MM992-2Cuc：工业以太网RJ45接口，支持10/100/1000M自适应功能，自动极性反转、自交叉。支持Fasconnect快速连接技术。

　　MM992-2LD/LH/LH+：1000M以太网光纤模块，单模传输1310/1550nm波长支持G.625光纤。有效传输距离10km-140km

　　MM992-2SFP：光纤介质模块插槽，提供SFP接插件接口。灵活替换接插件替换传输模块，改编光纤传输距离。

　　SFP991-1LD/LH+：光纤SFP接插件单模传输1310/1550nm波长支持G.625光纤。有效传输距离35km-140km

　　3.4   网络管理软件: SINEMA SERVER

　　SINEMA 服务器是一种为您量身定制的解决方案，能够提高网络容错率，记录网络信息并将网络诊断集成到 SCADA 系统中。利用该软件可以借助自动生成的拓扑图快速便捷地识别有线和无线工业以太网中的通讯故障。

　　诊断信息在 SINEMA 服务器上永久记录并存档。 为此使用了 SNMP、PROFINET 等标准协议。

　　SINEMA Server Basic 中收集的信息可以通过标准浏览器(例如 Internet Explorer 或 Firefox)随时查阅。标准化的网络报告能够记录网络信息，更完善了 SINEMA Server Basic 的服务范围。

　　特点：

　　1)自动识别设备并生成网络拓扑

　　2)网络监测和可视化 24x7

　　3)用户地图

　　4)通过网络浏览器进行远程诊断

　　5)对 SCALANCE 和 PROFINET 网络的详细诊断，包括环冗余和 WLAN

　　6)第三方设备的标准诊断 (SNMPV1/V3)

　　7)可个性定制的 Web 诊断

　　8)清晰易懂的网络报告

　　9)事件报警

　　10)直观的操作方式。

　　优点：

　　1)SINEMA 服务器显著缩短了对网络问题的反应时间，是工业网络的重要组成部分。它可以帮助削减运行成本，减少停机时间。

　　2)该软件可以简单地集成在 HMI/SCADA 系统中，如 WinCC。

　　与其他网络管理系统相比，信息的复杂性得到了大大简化，无需专业知识即可进行操作。

　　4.项目综述

　　西门子成功得实施了某钢的EMS网络，目前运行正常。客户通过EMS网络平台在全局的角度进行分析和管理，优化了管理流程，为企业找寻了一条更好的生产流程和运营手段，降低了非正常消耗，并且限制了故障的发生，加快了故障的处理，引进了更科学的管理理念，提高了员工的工作积极性，使企业朝着高效、稳定的方向健步发展 。

　　我们也相信，通过我们不懈的努力和优质的服务，必定会为企业创造更多的利润和效益。

图一：基于以太网的数据通信系统

图二：网络方案示意图

图三：Scalance XR500核心交换机

图四：骨干环网三层交换机

图五：区域百兆环网下联交换机

图六：网络管理软件: SINEMA SERVER