曹雙慶 大慶 油田設(shè)計(jì)院

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在石油石化工程建設(shè)中的應(yīng)用

曹雙慶 大慶 油田設(shè)計(jì)院

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是基于以太網(wǎng)技術(shù)且應(yīng)用于工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)，伴隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于石油石化行業(yè)。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)以其對(duì)特殊應(yīng)用環(huán)境的超強(qiáng)適應(yīng)能力得到廣泛應(yīng)用，但工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)成本高限制了其在行業(yè)內(nèi)的大量應(yīng)用，針對(duì)不同工程，如何合理、靈活利用以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)成為通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。目前，兩種最常見的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用方式是與通用以太網(wǎng)交換機(jī)混合組網(wǎng)和與SDH傳輸設(shè)備混合組網(wǎng)。

石油石化；工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)；信息化；數(shù)字化；物聯(lián)網(wǎng)；應(yīng)用

近幾年，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在石油石化行業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛，無論是長(zhǎng)輸管道通信系統(tǒng)，礦區(qū)通信系統(tǒng)，還是各種工藝站場(chǎng)內(nèi)部局域網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)等，幾乎都能見到工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，如何合理利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)成為業(yè)界討論的熱門話題。

1 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)簡(jiǎn)介

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是基于以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)交換設(shè)備，是以太網(wǎng)交換機(jī)的一種。除此以外，常見的民用級(jí)和企業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)統(tǒng)稱為通用以太網(wǎng)交換機(jī)。與通用以太網(wǎng)交換機(jī)相比，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)同樣基于IEEE 802.1、802.2、802.3等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，因此兩者功能有差異但不大，其優(yōu)勢(shì)主要在于某些技術(shù)指標(biāo)要優(yōu)于通用以太網(wǎng)交換機(jī)，且多采用模組化、模塊化設(shè)計(jì)，配置靈活，便于安裝，最重要的是它能適應(yīng)多種應(yīng)用條件，并能滿足石油石化行業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恍┨厥庖蟆?/p>

2 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用背景

（1）企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展。在早期石油石化企業(yè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，本地通信業(yè)務(wù)比較單一，多以組成本地辦公局域網(wǎng)為主，因此主要采用通用以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)；長(zhǎng)途通信雖然業(yè)務(wù)種類較多，但多種通訊協(xié)議混傳，因此主要采用SDH設(shè)備組網(wǎng)。然而，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展以及企業(yè)數(shù)字化、信息化管理的普及，基于TCP/IP通訊的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于石油石化行業(yè)。除了傳統(tǒng)的企業(yè)管理、計(jì)算機(jī)辦公等IP數(shù)據(jù)以外，大量的語音、視頻、工業(yè)控制等數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)變成IP數(shù)據(jù)。無論是本地通信還是長(zhǎng)途通信網(wǎng)絡(luò)所扮演的角色均逐步向物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變，而需要接入IP業(yè)務(wù)的點(diǎn)數(shù)大幅增加，加上工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)制造技術(shù)的成熟、工業(yè)自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)化、多網(wǎng)合一的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)思路、SDH設(shè)備的高成本、通用以太網(wǎng)交換機(jī)適應(yīng)能力有限等一系列因素，均加速了工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在石油石化行業(yè)中的應(yīng)用步伐。

（2）石油石化行業(yè)特殊的應(yīng)用環(huán)境。首先，傳統(tǒng)的Ethernet并不是為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，石油石化行業(yè)的工況比較特殊，經(jīng)常需要通信設(shè)備在諸如低溫、高溫、高海拔、高濕、嚴(yán)重電磁干擾、較差供電質(zhì)量、鹽霧、強(qiáng)震等惡劣環(huán)境中能夠保持正常工作，通用以太網(wǎng)交換機(jī)根本不具備這些能力。同時(shí)，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)必須滿足某些業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的較高要求，比如遠(yuǎn)控、遠(yuǎn)動(dòng)及自控?cái)?shù)據(jù)回傳等均要求網(wǎng)絡(luò)具有高可靠性、低延遲和零丟包等能力，這些能力亦是通用以太網(wǎng)交換機(jī)所不具備的。其次，企業(yè)以人為本的發(fā)展思路需要使用更健康環(huán)保的設(shè)備，如通信設(shè)備值班室里，常規(guī)通信設(shè)備風(fēng)扇產(chǎn)生的噪聲嚴(yán)重影響值班人員的身心健康。最后，大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要求低故障率以降低日常設(shè)備維護(hù)量。綜上所述，面對(duì)特殊工況，通用以太網(wǎng)交換機(jī)勢(shì)必被本行業(yè)淘汰出局，被更能適應(yīng)石油石化行業(yè)特殊工況的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)替代。

3 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用

雖然工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)相對(duì)于通用以太網(wǎng)交換機(jī)具有具大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但相對(duì)于通用交換機(jī)其成本較高成為限制其大量應(yīng)用的主因。在實(shí)際工程中，應(yīng)用環(huán)境及通信業(yè)務(wù)種類、業(yè)務(wù)量、業(yè)務(wù)流向等是多變的，既要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能，滿足特殊應(yīng)用要求，同時(shí)又要兼顧系統(tǒng)綜合造價(jià)，提高系統(tǒng)性價(jià)比，因此，針對(duì)不同工程如何合理、靈活利用以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)才是通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。目前石油石化行業(yè)中，兩種最常見的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用方式是與通用以太網(wǎng)交換機(jī)混合組網(wǎng)和與SDH傳輸設(shè)備混合組網(wǎng)。以下通過兩個(gè)工程案例，分析石油石化行業(yè)中常見的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用方式。

3.1 代替通用以太網(wǎng)交換機(jī)

案例：某燃料油調(diào)和配送中心項(xiàng)目。該項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于一個(gè)海島上，主要由重柴油罐區(qū)、燃料油罐區(qū)、重油罐區(qū)、辦公區(qū)、35／6 kV變電所、水處理區(qū)、消防站、碼頭等構(gòu)成，廠區(qū)通信系統(tǒng)將做為工業(yè)電視監(jiān)控、視頻周界、電話軟交換、SCADA數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算機(jī)辦公等系統(tǒng)的支撐網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)廠區(qū)組網(wǎng)最大的難點(diǎn)是IP業(yè)務(wù)接入點(diǎn)位置比較分散，如果采用常規(guī)級(jí)聯(lián)方式組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)勢(shì)必混亂而沒有層次，將大大增加廠區(qū)布線量及日常維護(hù)管理難度。而工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)在于它必須滿足控制作用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)由于建設(shè)地點(diǎn)位于海島之上，對(duì)設(shè)備防鹽霧、防潮性能提出特殊要求。最終，本項(xiàng)目廠區(qū)通信系統(tǒng)采用了如圖1所示的組網(wǎng)方案。

圖1 廠區(qū)通信系統(tǒng)組網(wǎng)方案

該網(wǎng)絡(luò)分為辦公及生產(chǎn)網(wǎng)兩部分。辦公網(wǎng)采用通用以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)并延續(xù)星型級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)網(wǎng)則采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)并以環(huán)形結(jié)構(gòu)為主，輔以鏈型、星型結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)網(wǎng)與辦公網(wǎng)之間設(shè)防火墻以保障生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)安全。物聯(lián)網(wǎng)具有感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的3層體系結(jié)構(gòu)，參照此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要把握重點(diǎn)業(yè)務(wù)的要求，即對(duì)于需要接入SCADA數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)必須在環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)，以保證SCADA數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽?，其他業(yè)務(wù)由于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸蟛桓撸尤霑r(shí)根據(jù)實(shí)際情況可置于環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)之中，亦可以星形就近接入附近環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)利用二層VLAN劃分可將SCADA數(shù)據(jù)傳輸與視頻監(jiān)控等其他系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行通道隔離。由于現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)數(shù)量較多，宜采用網(wǎng)管型設(shè)備組網(wǎng)，投產(chǎn)后可利用網(wǎng)管系統(tǒng)簡(jiǎn)化及降低網(wǎng)管難度?？傊摲桨负?jiǎn)化了布線結(jié)構(gòu)、減少了布線量、降低了日常維護(hù)管理的難度，使環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量可控，同時(shí)也有效控制了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

3.2 代替部分SDH設(shè)備組網(wǎng)

案例：某天然氣管道建設(shè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于新疆南部，由4條干線、19條支線構(gòu)成，管道全長(zhǎng)2 000多公里，全線共設(shè)置38座工藝站場(chǎng)、69座線路閥室。管道通信系統(tǒng)將作為工業(yè)電視監(jiān)控、電話軟交換、SCADA數(shù)據(jù)傳輸、視頻會(huì)議、計(jì)算機(jī)辦公等系統(tǒng)的支撐網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)組網(wǎng)最大的難點(diǎn)是通信距離長(zhǎng)，業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，業(yè)務(wù)接入種類不均衡，如果參照以往設(shè)計(jì)，接入層全部采用SDH設(shè)備，對(duì)于業(yè)務(wù)接入種類單一且業(yè)務(wù)量小的節(jié)點(diǎn)勢(shì)必造成浪費(fèi)，系統(tǒng)造價(jià)勢(shì)必大大增加，系統(tǒng)性價(jià)比大打折扣。同時(shí)，由于管道地處南疆沙漠地區(qū)，對(duì)設(shè)備防塵、抗高溫有特殊的要求。最終，管道通信系統(tǒng)采用了如圖2所示的SDH傳輸與工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)混合組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。

圖2SDH傳輸設(shè)備與工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)混合組網(wǎng)方案

該網(wǎng)絡(luò)主干傳輸層采用基于MSTP的SDH設(shè)備組成，傳輸節(jié)點(diǎn)設(shè)在主要工藝站場(chǎng)，負(fù)責(zé)站場(chǎng)數(shù)據(jù)的集中接入及遠(yuǎn)程傳輸；接入層則采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)并以鏈形結(jié)構(gòu)為主（實(shí)際上接口按環(huán)網(wǎng)配置）。參照此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾方面：首先，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的環(huán)網(wǎng)檢測(cè)機(jī)制要采用類似于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)握手的檢測(cè)機(jī)制才能實(shí)現(xiàn)此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的環(huán)網(wǎng)保護(hù)；其次，如果閥室與工藝站場(chǎng)之間有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交換（如視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)），SDH設(shè)備的以太網(wǎng)板應(yīng)具有交換功能；最后，如果閥室SCADA數(shù)據(jù)需要獨(dú)立傳輸通道，可利用二層VLAN劃分實(shí)現(xiàn)與視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)隔離。與傳統(tǒng)全SDH設(shè)備組網(wǎng)方案相比，該方案在保證網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸可靠性和安全性的同時(shí)，降低了成本，就目前市場(chǎng)價(jià)格來看，單個(gè)閥室可減少設(shè)備成本10萬以上，單個(gè)工藝站可減少板卡成本6萬以上，整個(gè)項(xiàng)目至少可減少成本900萬，提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性價(jià)比。

4 結(jié)語

由于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)采用TCP/IP通信協(xié)議，因此可以與多種具有以太網(wǎng)接口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備靈活組網(wǎng)。但工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)畢竟是基于分組和幀交換技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，即使其最大傳輸速率可達(dá)到萬兆甚至更高，其最基本工作原理使其在數(shù)據(jù)傳輸保密性、安全性、可靠性方面有著先天的缺陷，因此，對(duì)于本行業(yè)來說，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組建傳輸網(wǎng)絡(luò)的主干層時(shí)應(yīng)該慎重考慮。就拿管道項(xiàng)目來說，部分接入層采用100/1 000工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)代替STM—1/STM—4速率級(jí)別的SDH設(shè)備，無論是接入層還是主干層，當(dāng)有多種遠(yuǎn)動(dòng)、遠(yuǎn)控及保密業(yè)務(wù)需遠(yuǎn)程混傳時(shí)，恰恰就不適合采用以太網(wǎng)交換機(jī)。某些設(shè)計(jì)人員經(jīng)常因?yàn)樗袠I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是IP類型的，就全盤采用以太網(wǎng)交換機(jī)，而忽略了業(yè)務(wù)自身特殊需求。畢竟傳輸網(wǎng)絡(luò)最終是為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的，因此采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)時(shí)，對(duì)于不同的應(yīng)用環(huán)境、不同的業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)量、不同工藝條件、不同的管理要求等應(yīng)有所變化，只有充分理解各種需求，把握住設(shè)計(jì)重點(diǎn)，才能最大限度地發(fā)揮工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的作用，提高系統(tǒng)性價(jià)比。

（欄目主持李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.003