工業(yè)以太網(wǎng)在普光氣田中的應(yīng)用

王貴波（中石化中原油田普光分公司，四川，達(dá)州 636156）

王義國（北京塞特雷特科技有限責(zé)任公司，北京 100102）

1 引言

工業(yè)以太網(wǎng)是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容。產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)在普光氣田得到了很好的應(yīng)用。

2 工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵特點(diǎn)

2.1 通信確定性與實(shí)時性

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)在于它必須滿足控制作用對實(shí)時性的要求，即信號傳輸要足夠快和滿足信號的確定性。實(shí)時控制往往要求對某些變量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定時刷新。采用快速以太網(wǎng)加大網(wǎng)絡(luò)帶寬。Ether-net的通信速率從10、100 Mb/s增大到如今的1、10Gb/s。在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞機(jī)率大大下降，從而提高其實(shí)時性。采用全雙工交換式以太網(wǎng)。用交換技術(shù)替代原有的總線型CSMA/CD技術(shù)，避免了由于多個站點(diǎn)共享并競爭信道導(dǎo)致發(fā)生的碰撞，減少了信道帶寬的浪費(fèi)，同時還可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，提高信道的利用率。

2.2 穩(wěn)定性與可靠性

傳統(tǒng)的Ethernet并不是為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的，沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性需要。由于工業(yè)現(xiàn)場的機(jī)械、氣候、塵埃等條件非常惡劣，因此對設(shè)備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠環(huán)境中，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性、可恢復(fù)性及可維護(hù)性。

2.3 安全性

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多現(xiàn)場不可避免地存在易燃、易爆或有毒氣體等，對應(yīng)用于這些工業(yè)現(xiàn)場的智能裝置以及通信設(shè)備，都必須采取一定的防爆技術(shù)措施來保證工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。

3 普光氣田工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)組成和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

普光氣田是我國已投產(chǎn)的規(guī)模最大、豐產(chǎn)最高的特大型海相整裝氣田，由于其高酸高含硫的特點(diǎn)，對集輸工藝、自動控制及通信傳輸提出了更高的要求。SCADA系統(tǒng)作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調(diào)節(jié)及設(shè)備控制的重要系統(tǒng)，對安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的系統(tǒng)，而工業(yè)以太網(wǎng)作為SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道，必須具備極高的可靠性與穩(wěn)定性以滿足SCADA數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

3.1 普光氣田工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)組成

普光氣田主體開發(fā)地面集輸工程工業(yè)以太網(wǎng)共包括16座集氣站場、29座線路截斷閥室、1座集氣末站、1座污水站及1座中心控制室。普光二期地面集輸工程工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)包括7座集氣站、18座閥室，1座中控室。其中主體和大灣區(qū)塊各自成環(huán)，在中控室進(jìn)行對接，使系統(tǒng)能夠互訪，各系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò)為1000M bit/s的光纖以太網(wǎng)，中控室、場站或閥室內(nèi)部的子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為100Mbit/s的電氣以太網(wǎng)絡(luò)。整個系統(tǒng)采用西門子工業(yè)級SCALANCE-X系列交換機(jī)進(jìn)行構(gòu)架。

3.2 普光氣田工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

工業(yè)以太網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，沿工藝管線敷設(shè)42km埋地光纜，與電力線路同時架設(shè)51km架空光纜，使用長距離光纖模塊將中控室、場站以及各個閥室連接在一個環(huán)網(wǎng)上。與中控室較近的場站（集氣站末站和污水站），分別采用星型連接以光纜直接接入中控室系統(tǒng)。圖1為工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)拓?fù)鋱D，圖2為為典型站場網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖1 工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)拓?fù)鋱D

圖2 典型站場網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

骨干環(huán)網(wǎng)絡(luò)利用西門子工業(yè)級交換機(jī)SCALANCE X308-LH組成1000Mbit光纖網(wǎng)絡(luò)。骨干環(huán)網(wǎng)由西門子HSR協(xié)議提供單點(diǎn)故障保護(hù)，保證骨干鏈路故障情況下通訊不受影響。骨干網(wǎng)絡(luò)提供的1000Mbit/s全雙工線速交換能力（實(shí)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(luò)流量進(jìn)行劃分并優(yōu)化流量。全網(wǎng)支持SNTP，3ms精度時鐘同步。基于PROFINET RT（Real Time）標(biāo)準(zhǔn)以數(shù)據(jù)4級優(yōu)先級隊列，提供QoS服務(wù)。

普光主體骨干網(wǎng)與48個子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、大灣區(qū)塊骨干網(wǎng)及28個子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)共同組成普光氣田集輸以太網(wǎng)系統(tǒng)。

4 普光工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn)和優(yōu)勢

普光氣田工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)采用雙網(wǎng)冗余，相互獨(dú)立，另有無線備用鏈路，在有線出現(xiàn)多個故障點(diǎn)時，網(wǎng)絡(luò)自動切換到無線，做到雙網(wǎng)切換、無線切換。對于普光氣田工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)，主要有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢。

4.1 安裝特點(diǎn)

全網(wǎng)西門子交換機(jī)采用導(dǎo)軌式安裝，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上和S7-300 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌，有易于安裝和卸下。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)經(jīng)常處于嚴(yán)重振動之下（> 10 g），則使用 S7-300 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌進(jìn)行安裝。DIN 導(dǎo)軌在振動超過 10 g 的情況下不能提供足夠支撐。雖然工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在使用過程中不會處于嚴(yán)重的振動之下，但是考慮到普光氣田的特殊的山區(qū)地理環(huán)境，在運(yùn)輸過程中不可避免會處于嚴(yán)重的振動之下，為了減少設(shè)備在運(yùn)輸過程中損壞，保證交換機(jī)的使用壽命，采用S7-300 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌進(jìn)行安裝。

普光主體以太網(wǎng)機(jī)柜采用的安裝交換機(jī)的導(dǎo)軌為35 mm DIN導(dǎo)軌 ，普光二期以太網(wǎng)機(jī)柜采用的是SIMATIC S7-300 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌。S7-300 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌的用料、牢固性上都優(yōu)于35 mm DIN導(dǎo)軌。

4.2 雙路冗余供電

所有設(shè)備供電都采用西門子SITOP電源，并是雙路冗余，設(shè)備供電也是采用雙路輸入。保證設(shè)備供電的安全。

4.3 使用C-PLUG卡存儲介質(zhì)提供了設(shè)備的配置和維護(hù)效率

C-PLUG用于交換機(jī)設(shè)備的配置存儲、備份。在設(shè)備替換或故障時，用于快速恢復(fù)配置，存儲容量32M。擁有足夠存儲容量存儲交換機(jī)的配置信息。

4.4 采用HSR技術(shù)提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性

當(dāng)骨干網(wǎng)環(huán)路的光纜因自然災(zāi)害、人為失誤或設(shè)備老化等原因發(fā)生斷路時，HSR高速冗余環(huán)協(xié)議可以將骨干環(huán)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)流向改變，提供一個故障點(diǎn)的保護(hù)。該切換由交換機(jī)完成，故障自愈時間不超過300m s。由于骨干環(huán)上的鏈接設(shè)備數(shù)量小于環(huán)網(wǎng)連接數(shù)量的極限值，實(shí)際切換時間將小于300ms。圖3為骨干環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)斷點(diǎn)。

圖3 骨干環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)斷點(diǎn)

4.5 無線接入和OSPF關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)骨干網(wǎng)環(huán)路的光纜因自然災(zāi)害、人為失誤或設(shè)備老化等原因發(fā)生多處短路時；或場站所連接的SCALANCE X 414-3E與骨干網(wǎng)間的有線連接發(fā)生斷路時，部分站點(diǎn)與中控室在有線鏈路上被隔離。此種情況下，被隔離場站切換到無線傳輸鏈路與控制中心通訊。其他為被隔離的場站仍使用有線通訊鏈路，通訊不受影響，不產(chǎn)生抖動。

有線鏈路向無線鏈路的切換由OSPF動態(tài)路由協(xié)議來完成，該協(xié)議將各場站與骨干環(huán)網(wǎng)劃分成不同自治域。并對有線鏈路與無線鏈路分配不同優(yōu)先等級，以權(quán)重決定主要鏈路為有線鏈路。當(dāng)有線鏈路發(fā)生中斷時，OSPF協(xié)議可在1～3s內(nèi)完成切換。

OSPF即Open Shortest Path First（開放最短路由優(yōu)先協(xié)議）。它是IETF組織開發(fā)的一個基于鏈路狀態(tài)的自治系統(tǒng)內(nèi)部路由協(xié)議。在鏈路狀態(tài)路由協(xié)議中，路由器和路由器之間交換的是鏈路狀態(tài)。而距離矢量路由協(xié)議中，路由器與路由器之間交換的是路由表。鏈路狀態(tài)路由協(xié)議能夠識別更多的網(wǎng)絡(luò)信息，所以選出的路由比距離矢量路由協(xié)議選出的路由更優(yōu)。

在IP 網(wǎng)絡(luò)上，它通過收集和傳遞自治系統(tǒng)的鏈路狀態(tài)來動態(tài)地發(fā)現(xiàn)并傳播路由，OSPF 是一種相對復(fù)雜的路由協(xié)議，適用于大型復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。采用OSPF協(xié)議的好處是OSPF是真正的LOOPFREE（無路由自環(huán)）路由協(xié)議。源自其算法本身的優(yōu)點(diǎn)，鏈路狀態(tài)及最短路徑樹算法，OSPF收斂速度快：能夠在最短的時間內(nèi)將路由變化傳遞到整個自治系統(tǒng)。提出區(qū)域（area）劃分的概念，將自治系統(tǒng)劃分為不同區(qū)域后，通過區(qū)域之間的對路由信息的摘要，大大減少了需傳遞的路由信息數(shù)量。也使得路由信息不會隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大而急劇膨脹。將協(xié)議自身的開銷控制到最小。網(wǎng)絡(luò)冗余性好，通過計算路徑，計算出最短的路由路徑，在有線和無線間切換適用OSPF協(xié)議。

普光氣田的無線接入方式采用5.8G接入，考慮到無線傳輸系統(tǒng)的開放性，在以太網(wǎng)絡(luò)接入進(jìn)無線傳輸系統(tǒng)前，接入網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備SCALANCE S612提供VPN連接，對無線傳輸系統(tǒng)的連接進(jìn)行加密保護(hù)，確保數(shù)據(jù)在無線傳輸系統(tǒng)的傳輸過程中不會受到外界破壞或入侵。

圖4 設(shè)備出現(xiàn)問題無線切入

當(dāng)骨干環(huán)網(wǎng)上的交換設(shè)備因各種原因發(fā)生故障，無法工作時，故障交換機(jī)所連接的場站子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)被隔離，其他站點(diǎn)通訊不受影響。被隔離的場站子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)切換至無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。切換方式同上文，切換時間在1～3秒內(nèi)。

圖5 設(shè)備出現(xiàn)問題無線切入

4.6 雙網(wǎng)冗余

場站子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的SCALANCE X414-3E發(fā)生故障，或子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接至該設(shè)備的連接發(fā)生斷路時，單網(wǎng)有線鏈路與無線鏈路均無法進(jìn)行通訊。基于雙網(wǎng)冗余的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)通訊整體由1#千兆光纖環(huán)網(wǎng)切換到2#千兆光纖環(huán)網(wǎng)。

該類切換由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集源網(wǎng)卡的切換完成，其響應(yīng)時間由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)決定，在1~3秒左右。該類切換還有可能產(chǎn)生于通訊應(yīng)用的中斷或連接超時。

圖6 雙網(wǎng)冗余

由于雙網(wǎng)系統(tǒng)中，兩張網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全相同。切換后，該系統(tǒng)仍然能夠承受上文所述的幾種故障情況發(fā)生，并能進(jìn)行相應(yīng)的切換。

因此，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所能承受的故障點(diǎn)數(shù)量最多可達(dá)到5個。由于除大規(guī)模自然災(zāi)害的情況下，同時發(fā)生2個故障點(diǎn)以上的可能性不高，該系統(tǒng)的可用性已經(jīng)基本可以確保整體網(wǎng)絡(luò)的不間斷運(yùn)行。故障點(diǎn)情況如圖7所示。

理論上，由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件故障而產(chǎn)生的系統(tǒng)中斷不應(yīng)超過3s。而在此基礎(chǔ)上，附加再次產(chǎn)生的硬件故障，在備件充足、維護(hù)人員熟練的情況下，基于C-PLUG卡或遠(yuǎn)程配置恢復(fù)的功能，系統(tǒng)中斷時間可以控制在小時為單位的時間內(nèi)。

圖7 環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)多個斷點(diǎn)

4.7 普光氣田工業(yè)以太網(wǎng)雙環(huán)對接技術(shù)

普光主體工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)和大灣區(qū)塊工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)組成了普光氣田工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)為兩個邏輯環(huán)，兩個環(huán)網(wǎng)在物理交接點(diǎn)中控室實(shí)行對接。對接采用光纜連接光電轉(zhuǎn)換設(shè)備的方式使兩個環(huán)網(wǎng)的核心交換機(jī)的電口連接，從而完成對接。兩個環(huán)網(wǎng)同時接到網(wǎng)管服務(wù)器，方便了網(wǎng)絡(luò)管理。圖7是環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)多個斷點(diǎn)。

圖8 普光氣田主體和大灣工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)邏輯圖

4.8 普光氣田工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備的高可抗性

所有交換機(jī)設(shè)備均滿足電磁兼容性及抗干擾指標(biāo)EN61000-4-2靜電，EN 61000-4-3電磁場，EN 61000-4-4快速瞬變，EN61000-4-5浪涌都在3級以上。全部設(shè)備均支持雙DC24V輸入，帶繼電器報警輸出，結(jié)構(gòu)堅固，耐受工業(yè)震動及沖擊（IEC60068-2）。

雷擊和浪涌是對工業(yè)設(shè)備損害的重要原因，為確保整個系統(tǒng)安全，提高防浪涌的級別非常重要，雖然西門子提供的交換機(jī)和路由器已經(jīng)滿足技術(shù)規(guī)格書要求的防浪涌要求（EN61000-4-5浪涌3級以上），但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由于各站場均分布在野外，屬于易受雷擊和浪涌傷害的地方，因此西門子在每個站場為工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)配備專用的浪涌保護(hù)器V 20/C，提高浪涌保護(hù)等級，增加安全性。

5 結(jié)束語

普光氣田工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)是目前應(yīng)用在我國氣田項目最先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，普光工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)組建特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢，以肯定普光氣田工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)在高酸氣田SCADA數(shù)據(jù)傳輸方面的可靠性、穩(wěn)定性與先進(jìn)性，對國內(nèi)同類油氣田的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃具有重要的參考作用。

(1)社會經(jīng)濟(jì)效益

具有良好網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與功能的工業(yè)以太網(wǎng)在普光氣田地面集輸?shù)膽?yīng)用，極大滿足了生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母黜椧螅貏e是保證了重要生產(chǎn)SCADA數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。對國內(nèi)同類高酸油氣田的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃具有參考作用。

(2)展望

雖然工業(yè)以太網(wǎng)在一些行業(yè)的應(yīng)用上已經(jīng)真正實(shí)現(xiàn)了一網(wǎng)到底，但對于很多行業(yè)，現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)將會并存多年。從目前國際、國內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展來看，工業(yè)以太網(wǎng)在制造執(zhí)行層已得到廣泛應(yīng)用，并成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。未來工業(yè)以太網(wǎng)將在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來越重要的作用。人們普遍認(rèn)為工業(yè)以太網(wǎng)是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，具有廣闊的發(fā)展前景。

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