不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來不同的性能和成本，合理選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課題。本文以某焦化工程為例，探討復(fù)雜控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)。

2 焦化工程集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

      高溫?zé)捊故敲壕C合利用的重要途徑，也是冶金工業(yè)的重要組成成分。所謂高溫?zé)捊梗褪敲涸诟艚^空氣加熱到950-1050℃，經(jīng)過干燥、熱解、熔融、黏結(jié)、固化、收縮等過程最終得到焦炭。

      煉焦工藝流程是：由備煤車間送來的配合煤裝入煤塔，裝煤車按作業(yè)計(jì)劃從煤塔取煤，經(jīng)計(jì)量后裝入炭化室內(nèi)。煤料在炭化室內(nèi)經(jīng)過一個(gè)結(jié)焦周期的高溫干餾制成焦炭，再經(jīng)過熄焦和篩焦按級(jí)別貯存待運(yùn)。煤在炭化室干餾過程中產(chǎn)生的荒煤氣被冷卻，在煤氣凈化車間經(jīng)過各種加工最后得到凈煤氣和各種副產(chǎn)品。

      煉焦生產(chǎn)控制系統(tǒng)主要由八個(gè)子系統(tǒng)組成，分別是備煤、煉焦、焦處理、煤氣凈化、圓形料場(chǎng)、焦?fàn)t除塵、篩焦除塵以及鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。

      這8個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分散控制集中管理的模式進(jìn)行監(jiān)控，可以監(jiān)控廠區(qū)內(nèi)任何一個(gè)角落。圖1為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

3網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則

      可靠的網(wǎng)絡(luò)必須具有三個(gè)典型特點(diǎn)：有效地傳輸流量、提供冗余和故障恢復(fù)能力。
冗余設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品安全性，減少因?yàn)榕既徽`差或用戶使用不當(dāng)而破壞產(chǎn)品功能可能性的重要手段，圖1焦化工程網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則是：

      ①有冗余控制器的系統(tǒng)采用雙環(huán)或雙星

      ②重要的非冗余系統(tǒng)采用雙星網(wǎng)

      ③非冗余控制器采用單環(huán)網(wǎng)，再偶合到整個(gè)系統(tǒng)

3．1 雙環(huán)形

      備煤、煉焦DCS和焦處理系統(tǒng)都是雙CPU冗余系統(tǒng)[1]（CPU冗余，控制網(wǎng)介質(zhì)冗余，電源冗余），設(shè)計(jì)成雙光纖環(huán)網(wǎng)，從每個(gè)環(huán)上的二個(gè)接點(diǎn)分別連接到中控室的兩臺(tái)二層交換機(jī)CC01-SWA和CC01-SWB。運(yùn)行時(shí)允許底層交換機(jī)網(wǎng)線、交換機(jī)和內(nèi)/外光纖環(huán)網(wǎng)同時(shí)產(chǎn)生故障。是工業(yè)上最高等級(jí)的冗余控制系統(tǒng)。保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上能夠安全、實(shí)時(shí)的傳輸。在此雙環(huán)上的交換機(jī)必須是可網(wǎng)管交換機(jī)。

3．2 單環(huán)形

      圓形料場(chǎng)、焦?fàn)t除塵、篩焦除塵、空壓站、焦?fàn)t裝煤、硫氨包裝稱以及煤氣鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是單CPU控制系統(tǒng)，它們組成單環(huán)網(wǎng)并分別連接到中控室的二層交換機(jī)CC01-SWA和CC01-SWB，運(yùn)行時(shí)允許環(huán)網(wǎng)有一點(diǎn)斷路，可以保證數(shù)據(jù)安全快速到達(dá)。在此單環(huán)上的交換機(jī)必須是可網(wǎng)管交換機(jī)。

3．3 雙星形

      煤氣凈化系統(tǒng)配置兩套互為冗余控制器，并且控制器放在中控室的機(jī)柜間，考慮到該系統(tǒng)的重要性，直接采用雙星電口分別連接到中控室的二層交換機(jī)CC01-SWA和CC01-SWB；酚氰廢水系統(tǒng)采用雙星網(wǎng)絡(luò)分別連接到中控室的兩臺(tái)二層交換機(jī)CC01-SWA和CC01-SWB；在此雙星網(wǎng)上的交換機(jī)必須是可網(wǎng)管交換機(jī)。

3．4 單星形

      自動(dòng)配煤、煤稱重、制冷站等系統(tǒng)從工藝的角度上看都是獨(dú)立的控制系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)提供OPC接口，將此系統(tǒng)通過光纖以單星的方式接入三層交換機(jī)CC01-MSWA和CC01-MSWB。

4 交換機(jī)配置

      工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)該采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，普通交換機(jī)在抗干擾性能、電磁兼容性、可靠性、可用性、BTBF（平均無故障時(shí)間）等方面不能完全適用工業(yè)環(huán)境的要求，且不能構(gòu)成高速冗余環(huán)網(wǎng)的連接方式。

圖1網(wǎng)絡(luò)有四層交換機(jī)：

      （1）設(shè)備層交換機(jī)：RS20-0900MMM2SDAP可網(wǎng)管一體化交換機(jī)：3個(gè)100M多模光口，6個(gè)RJ45電口；

      （2）二層交換機(jī)：CC01-SWA，CC01-SWB：MACH4002-48+4G-L3PHC；1-100M單模光口，7-100M多模光口，40-RJ45電口，支持三層路由；HIPER Ring雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)；

      （3）三層交換機(jī)：CC01-MSWA，CC01-MSWB；交換機(jī)聚合；

      （4）核心交換機(jī)：CC01-MSW：MACH4002-48+4G-L3PHC；4-100M多模光口，44-RJ45電口，支持三層路由；交換機(jī)聚合；

軟件采用赫斯曼專用網(wǎng)管軟件：HiVision PC Base Enterprise MACH4002系列產(chǎn)品許可證和Ind. HiVision-Operator Ed.50 Nodes（操作員版）

5 網(wǎng)絡(luò)安全預(yù)案

      對(duì)重要系統(tǒng)采用的單環(huán)、雙環(huán)、雙星等冗余設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)的安全性基本上得到保證。但也可能發(fā)生一些可預(yù)見的故障，通過在網(wǎng)絡(luò)中配置的網(wǎng)絡(luò)管理軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)端口、網(wǎng)絡(luò)鏈路的狀態(tài)，通過定期檢查這些狀態(tài)，可以保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)排除故障。可預(yù)見網(wǎng)絡(luò)故障共有21種，編碼見表2：
表2

      今以雙環(huán)結(jié)構(gòu)故障F12，F(xiàn)13，F(xiàn)14，F(xiàn)15為例進(jìn)行說明（見圖2、表3）。

6 快速生成樹RSTP

      交換網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)，會(huì)產(chǎn)生廣播風(fēng)暴、網(wǎng)絡(luò)環(huán)路等問題，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

      解決循環(huán)連接的方法是生成樹STP，作用原理是：STP采取網(wǎng)絡(luò)環(huán)路偵測(cè)和預(yù)防（Network loop detection and prevention）措施，以確保任何兩個(gè)局域網(wǎng)之間只有一條路徑，如果存在著多于一條的路徑，那么生成樹算法將會(huì)偵測(cè)到環(huán)路的發(fā)生，并自動(dòng)選擇開銷值（Cost）最低的那條路徑作為可使用的路徑（主鏈路），而阻斷其他路徑，將它們作為備用路徑（備用鏈路）。STP生成樹從阻斷到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)需要經(jīng)過阻斷、監(jiān)聽、學(xué)習(xí)、轉(zhuǎn)發(fā)延遲等階段，這個(gè)階段大約需要30～50s的時(shí)間，對(duì)于要求高可靠性的網(wǎng)絡(luò)來，這是不允許的。

      為了滿足關(guān)鍵任務(wù)（如語音和視頻）對(duì)融合時(shí)間的要求，產(chǎn)生了快速生成樹協(xié)議（RSTP）IEEE 802.1W。RSTP將阻斷的端口設(shè)置為備用端口，一旦檢測(cè)到主鏈路中斷，備用端口直接進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，大大加大收斂速度，使環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)融合時(shí)間縮短到500ms以下。

7 結(jié)束語

      一個(gè)可靠的集控系統(tǒng)，需要妥善處理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成本問題，為此需要根據(jù)各個(gè)子系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中的地位，選擇合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，正確選擇交換機(jī)，并做好網(wǎng)絡(luò)安全預(yù)案。