摘要：介紹了雙環(huán)網(wǎng)，單環(huán)網(wǎng)，雙星網(wǎng)和單星網(wǎng)的特點及應用實例，介紹了網(wǎng)絡安全預案的編制方法，分析了雙環(huán)網(wǎng)安全預案的實用價值。

1 四種網(wǎng)絡拓撲

      在信息化浪潮席卷全球和全球經(jīng)濟一體化的今天，市場競爭更加激烈，利用先進的信息技術建立企業(yè)生產(chǎn)信息一體化管理是企業(yè)獲得競爭優(yōu)勢的必要手段，企業(yè)管理要達到國際先進水平，實現(xiàn)企業(yè)信息一體化管理是一條必由之路。網(wǎng)絡是信息流動的通路，網(wǎng)絡拓撲結構的合理性決定了信息流動是否順暢，也決定了系統(tǒng)的成本。表1是工程上經(jīng)常應用的四種網(wǎng)絡結構的性能比較。

      不同的拓撲結構帶來不同的性能和成本，合理選擇拓撲結構，是控制系統(tǒng)設計的一個重要課題。本文以某焦化工程為例，探討復雜控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲的設計。

2 焦化工程集控系統(tǒng)網(wǎng)絡

      高溫煉焦是煤綜合利用的重要途徑，也是冶金工業(yè)的重要組成成分。所謂高溫煉焦，就是煤在隔絕空氣加熱到950-1050℃，經(jīng)過干燥、熱解、熔融、黏結、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)計劃從煤塔取煤，經(jīng)計量后裝入炭化室內。煤料在炭化室內經(jīng)過一個結焦周期的高溫干餾制成焦炭，再經(jīng)過熄焦和篩焦按級別貯存待運。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)主要由八個子系統(tǒng)組成，分別是備煤、煉焦、焦處理、煤氣凈化、圓形料場、焦爐除塵、篩焦除塵以及鼓風機系統(tǒng)。

      這8個系統(tǒng)實現(xiàn)分散控制集中管理的模式進行監(jiān)控，可以監(jiān)控廠區(qū)內任何一個角落。圖1為系統(tǒng)網(wǎng)絡。

3網(wǎng)絡規(guī)劃原則

      可靠的網(wǎng)絡必須具有三個典型特點：有效地傳輸流量、提供冗余和故障恢復能力。
冗余設計是提高產(chǎn)品安全性，減少因為偶然誤差或用戶使用不當而破壞產(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)介質冗余，電源冗余），設計成雙光纖環(huán)網(wǎng)，從每個環(huán)上的二個接點分別連接到中控室的兩臺二層交換機CC01-SWA和CC01-SWB。運行時允許底層交換機網(wǎng)線、交換機和內/外光纖環(huán)網(wǎng)同時產(chǎn)生故障。是工業(yè)上最高等級的冗余控制系統(tǒng)。保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上能夠安全、實時的傳輸。在此雙環(huán)上的交換機必須是可網(wǎng)管交換機。

3．2 單環(huán)形

      圓形料場、焦爐除塵、篩焦除塵、空壓站、焦爐裝煤、硫氨包裝稱以及煤氣鼓風機系統(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CC01-SWA和CC01-SWB，運行時允許環(huán)網(wǎng)有一點斷路，可以保證數(shù)據(jù)安全快速到達。在此單環(huán)上的交換機必須是可網(wǎng)管交換機。

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CC01-SWA和CC01-SWB；酚氰廢水系統(tǒng)采用雙星網(wǎng)絡分別連接到中控室的兩臺二層交換機CC01-SWA和CC01-SWB；在此雙星網(wǎng)上的交換機必須是可網(wǎng)管交換機。

3．4 單星形

      自動配煤、煤稱重、制冷站等系統(tǒng)從工藝的角度上看都是獨立的控制系統(tǒng)，這兩個系統(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CC01-MSWA和CC01-MSWB。

4 交換機配置

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

圖1網(wǎng)絡有四層交換機：

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

      （2）二層交換機：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)結構；

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

      （4）核心交換機：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)絡安全預案

      對重要系統(tǒng)采用的單環(huán)、雙環(huán)、雙星等冗余設計，網(wǎng)絡的安全性基本上得到保證。但也可能發(fā)生一些可預見的故障，通過在網(wǎng)絡中配置的網(wǎng)絡管理軟件可以實時監(jiān)視網(wǎng)絡中所有設備、網(wǎng)絡端口、網(wǎng)絡鏈路的狀態(tài)，通過定期檢查這些狀態(tài)，可以保證及時發(fā)現(xiàn)故障，及時排除故障?？深A見網(wǎng)絡故障共有21種，編碼見表2：
表2

      今以雙環(huán)結構故障F12，F(xiàn)13，F(xiàn)14，F(xiàn)15為例進行說明（見圖2、表3）。

6 快速生成樹RSTP

      交換網(wǎng)絡冗余設計，會產(chǎn)生廣播風暴、網(wǎng)絡環(huán)路等問題，嚴重時將導致整個網(wǎng)絡癱瘓。

      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)絡環(huán)路偵測和預防（Network loop detection and prevention）措施，以確保任何兩個局域網(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偵測到環(huán)路的發(fā)生，并自動選擇開銷值（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生成樹從阻斷到轉發(fā)狀態(tài)需要經(jīng)過阻斷、監(jiān)聽、學習、轉發(fā)延遲等階段，這個階段大約需要30～50s的時間，對于要求高可靠性的網(wǎng)絡來，這是不允許的。

      為了滿足關鍵任務（如語音和視頻）對融合時間的要求，產(chǎn)生了快速生成樹協(xié)議（RSTP）IEEE 802.1W。RSTP將阻斷的端口設置為備用端口，一旦檢測到主鏈路中斷，備用端口直接進入轉發(fā)狀態(tài)，大大加大收斂速度，使環(huán)形拓撲結構融合時間縮短到500ms以下。

7 結束語

      一個可靠的集控系統(tǒng)，需要妥善處理網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性和網(wǎng)絡系統(tǒng)的成本問題，為此需要根據(jù)各個子系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中的地位，選擇合理的網(wǎng)絡拓撲結構，正確選擇交換機，并做好網(wǎng)絡安全預案。