基于GEPON的鋼鐵廠配電綜合自動化平臺設計

姜玉春

(山東鋼鐵集團 萊鋼自動化部，山東 萊蕪271104)

隨著國家經濟的宏觀調控，鋼鐵企業已經由過去的落后的生產方式向新型高效的自動化方向邁進。自動化水平已經成為鋼鐵企業發展的重要保證。建立一個穩定，高效的信息傳輸平臺對鋼鐵企業的建設具有重大的戰略意義。我國冶金行業的自動化系統也早已由單主機形式發展到現在的高度網絡化和集成化的階段。要求各個子系統之間的信息可以無縫的對接到中央管理系統，實現信息的遠程管理和共享，這極大的提高了鋼鐵企業的生產效率和安全系數。但由于工業冶煉現場環境惡劣、用電設備的特殊性，使得信息傳輸的時效性必須得到有效的保證。因此，設計一套基于新型、高效的網絡傳輸平臺的綜合自動化系統勢在必行。本文即設計了一種基于GEPON網絡的綜合自動化系統的平臺。

1 鋼鐵廠供配電系統的特點

1.1 用電負荷高，穩定性要求高

鋼鐵廠的很多生產設備以及供配電設備，都具有高負荷、持續作業等特點,如果由于供配電管理不善導致電壓突變或斷電的發生,會影響到設備的使用甚至正常的生產。而且很多電力器件如IGBT是一種很敏感的壓控器件,開通和關斷都需要一段時間才能完成，如果命令發出不及時就會造成被控設備的誤動作。因此,鋼鐵廠的供配電系統必須具有足夠的穩定性,才能有效保障企業正常生產。

1.2 用電設備為高壓，高負荷運轉

鋼鐵廠中用電設備較多，不僅有高電壓，大功率的生產設備,還有如照明、空調的辦公設備。因此,鋼鐵廠的供電電壓需要根據不同的用電設備劃分成多個等級，這就要求有一個復雜的供配電系統用以保證各系統的正常運行。并且不同的供電設備其保護裝置的方式、方法不盡相同。而且各種功能都需要依靠計算機自動化系統來實現。

1.3 供配電設備與其他設備聯系密切

由于鋼鐵企業供配電設備為保證設備的正常運行的大多使用了DCS系統。供配電系統和能源系統以及變電所之間也有密切聯系。而且鋼鐵廠很多如電力變壓器等供電設備都連接著DCS系統,而這些設備都具備遙控、閉鎖、通訊、保護、邏輯等操作功能。因此，供電系統與生產現場的控制設備有密切關系,供配電系統會實時傳送系統的運行數據到集控系統中,以供分析、控制。

2 方案的選擇

2.1 方案的比較

當前，我國鋼鐵冶金行業配電網絡傳輸技術主要有兩種:基于工業以太網信息傳輸系統和基于GEPON的傳輸系統。本設計采用GEPON(Gigabit Ethernet passive optical Network，千兆無源光纖以太網)技術。

工業用GEPON針對環境惡劣的工業現場有很多優良特性：實現了點到多點的傳輸、帶寬較大且可動態分配解決了帶寬瓶頸問題，設備采用無源器件使得系統工作穩定,易于安裝維護,故障率低，同時平臺建設成本低、組網靈活,易于擴展,數據可以通過工業太網技術傳輸,適合于綜合傳輸視頻、數據等信息,適合作為綜合信息系統的高速主干傳輸平臺。

2.2 GEPON網絡的組成

GEPON網絡主要由OLT（光線路終端）、POS（無緣分光器）和ONU（網絡終端）組成：

OLT：OLT是GEPON系統的核心設備，在系統啟動時OLT負責發起對光分配網絡接口和ONU的注冊和控制測距，并記錄相關信息。而后對每個注冊的ONU分配帶寬；系統運行過程中，在下行方向上將集控中心的指令發送到下層的ONU并最終送至各底層用電設備。在上行方向各ONU數據經TDMA技術通過OLT將信息傳入到中央控制室。

POS：POS是連接OLT和ONU的橋梁，負責GEPON系統中光功率的分配。通常情況下POS的分線率為2、4、8、16且各POS間可以進行級聯以適應網絡建設的需要。

ONU：它負責將各個底層用電設備接入到傳輸平臺中，并與上層網絡的數據交換，使各信息快速穩定的在系統中進行傳遞。在下行方向上ONU的主要作用是接收OLT發送的廣播數據并將其轉發至對應的；在上行方向將設備所報送的數據在OLT分配的發送窗口中發送。

2.3 工作原理

GEPON遵循IEEE802.3協議，每次可傳送1518字節的信息。GEPON網絡在上行與下行方向上信息傳輸過程有較大的不同：

如圖1所示：

圖1 GEPON網絡的傳輸流程圖Fig.1 The transmission process of GEPON network

下行方向，數據傳輸波長為1490nm。在傳輸過程中OLT會將允許接入的時間等信息在各個端口上進行廣播。同時為每個ONU分配一個單獨鏈路地址，用以將其去其他ONU進行區分。在由上至下的過程中數據是以數據包的形式發送，其最大長度為1518個字節，每個數據包的前面會標識目的ONU的地址。此外，ONU只會接受標識為自身的信息而將其他信息忽略。

上行方向，所有ONU共享上傳帶寬,并采用1310nm波長。在ONU注冊成功之后，OLT會采用動態帶寬分配（DBA）通過特定的算法為每個ONU動態分配上行帶寬。而且GEPON系統采用TDMA技術將多個ONU的數據組織成一個信息流傳送至OLT中以確保數據傳輸過程中ONU發送數據不發生沖突。這樣可以保證數據在上行過程中穩定高效的傳輸。

2.4 GEPON組網方式

GEPON網絡具有組網靈活的特點，可以將各種基本的網絡拓撲結構進行有機的整合以適應工業現場的組網要求。在GEPON中基本的拓撲結構有環形、總線型、星形。在實際應用中應根據現場的具體情況以最優網絡設計為原則來選擇具體的網絡拓撲結構。這可以利用分光器的不同分光比實現。在工程應用一般會選擇兩種或以上的組合形式。使搭建的網路具有冗余安全，高效穩定的特性。

其網絡拓撲結構如圖2、圖3、圖4所示。

3 GEPON網絡平臺的設計

圖2 樹形網絡Fig.2 tree network

圖3 星形網絡Fig.3 start-type network

圖4 總線型網絡Fig.4 bus network

3.1 系統總體設計

通過GEPON網絡可以將分散在各子系統中的的數據實時以最高可達1000M/s的傳輸速度通過網絡傳輸到控制中心，實現信息的集中管理和共享。其傳輸速度和質量均滿足鋼鐵廠自動化系統的傳輸要求。而且GEPON網絡的拓撲結構使得光纖鏈路上的損壞點不會對系統的整體產生重大的影響。

由于鋼鐵企業配電系統覆蓋地域廣、涉及到的子系統較多，顧本次設計擬采用雙環回路進行GEPON網絡的搭建，以保證系統數據、圖像等信息的傳輸穩定、高效。

如圖5為礦山綜合自動化系統結構圖。

3.1.1 ONU的布置

ONU將各子系統信息接入到傳輸平臺中。它主要配布置于測控裝置，變壓器等重要場所，以便于信息及時傳輸和保護設備的穩定的運行。同時將各子系統和數字工業電視系統、語音系統傳輸到集控中心統一調度監測。

3.1.2 OLT的布置

OLT是GEPON網絡的核心設備，應將OLT布置于中心機房內。而且為保障系統穩定運行。本設計擬采用2臺OLT形成1：1的冗余備份，并OLT之間使用設備冗余器進行協調切換，當一個OLT工作出現故障時，系統會自動根據網絡傳輸情況進行設備切換，以保證網絡不間斷工作，使重要數據不致丟失。

3.1.3 網絡的管理

系統通過串口服務器對整個網絡進行管理。使網絡具備自動模式和手動模式可在系統正常運行時使用自動模式而在維護和檢修以及需要擴展時進入手動模式，而不影響正常的網絡功能，網絡還備有冗余以太網和串行傳輸接口，用于對系統升級。

圖5 鋼鐵廠配電綜合自動化系統結構圖Fig.5 The architecture of the integrated automation system of distribution diagram of steel factory

3.2 軟件平臺的設計

3.2.1 軟件系統的集成

軟件平臺建設是綜合自動化系統集成的重要內容，它可以保證不同系統信息能夠在一個統一網絡平臺上進行聯通與共享，使各系統協調有序運行。而且用戶還可基于此平臺進行二次開發。

該平臺的建設采用了SCADA軟件，基于OPC等軟件接口技術搭建統一的軟件監控平臺。通過軟件平臺的集成，將上位機的界面整合開發為一套綜合的HMI，可以在每個子系統之間進行切換，以實現對整個供配電狀況進行集中分析、協調運作。有權限的用戶可以通過調取現場設備數據時同時查看相應的視頻監控，以便能更好的監控現場設備的運行和統籌安排生產調度。

最后為統一調度指揮生產，系統還可以將所采集、處理得到的數據發布的Internet上供有權限的用戶進行查詢和管理。而且充分考慮系統和數據的安全性，系統具有較強的身份認證機制、完善的日志、數據備份和病毒防護等功能。

圖6為系統軟件架構圖。

圖6 軟件架構圖Fig.6 Software architecture diagram

3.3 子系統的接入

3.3.1 視頻系統的接入

目前數字視頻系統的廣泛應用使得圖像傳輸質量和穩定性有了很大的提高；其次，數字視頻可借助網絡進行傳輸，節省了建設的成本；使得系統的升級也更加的方便。根據鋼鐵廠的實際安裝要求可以根據現場實際情況將視頻攝像設備就近接入ONU中進行信息的傳輸。

3.3.2 數據設備的接入

將變壓器、電力測控設備的信息經接入GEPON網絡，可實現現場設備數據的遠程監測和控制，并對相應設備的數據在綜合處理平臺上進行保存和處理。

4 結語

本文基于GEPON接入技術設計了一套鋼鐵廠配電自動化系統。GEPON系統采用以太網的幀結構還可以與地面的互聯網進行無縫的對接，形成一個統一的網絡而不需要進行格式間的轉換。這樣提高了系統的運行效率和管理的成本?？梢院芎玫募筛鱾€子系統，從而可以更好的提高通信的速度和傳輸的穩定性還可以達到節省傳輸線路鋪設和維護費用的目的。

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