1.項(xiàng)目簡(jiǎn)介
      河北前進(jìn)鋼鐵集團(tuán)有限公司創(chuàng)建于1986年，，經(jīng)過十余年經(jīng)營(yíng)，公司已發(fā)展為集冶金科技、礦業(yè)開發(fā)、鋼鐵冶煉、鋼材加工、國(guó)際貿(mào)易為一體的民營(yíng)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，成為河北省重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)之一，在冶金業(yè)享有較高的聲譽(yù)。
      河北前進(jìn)鋼鐵能源管理系統(tǒng)是前進(jìn)鋼鐵企業(yè)自動(dòng)化和信息化的重要組成部分，是一個(gè)集過程監(jiān)控、能源調(diào)度、能源管理為一體的、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的管控一體化系統(tǒng)，涵蓋了企業(yè)產(chǎn)能、用能的主要部門?？梢詫?duì)能源的統(tǒng)一調(diào)度、優(yōu)化能耗平衡、減少煤氣放散、提高環(huán)保質(zhì)量、降低噸鋼能耗和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)電力系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)行集中監(jiān)控和管理。通過對(duì)能源系統(tǒng)實(shí)行集中監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集──過程監(jiān)控──能源介質(zhì)消耗分析──能耗管理等全過程自動(dòng)化、高效化、科學(xué)化管理。通過數(shù)據(jù)分析，可以幫助企事業(yè)單位對(duì)主要耗能設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)考核，杜絕浪費(fèi)，并可以幫助企業(yè)單位進(jìn)一步優(yōu)化使用狀況，以降低單位能耗成本，提高企事業(yè)單位綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

2.能源管理系統(tǒng)構(gòu)成
2.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
     能源管理系統(tǒng)是一個(gè)企業(yè)級(jí)別的系統(tǒng),其網(wǎng)絡(luò)范圍覆蓋全廠,通常有幾十或幾百個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。作為系統(tǒng)中樞神經(jīng)的工業(yè)以太網(wǎng)的性能及穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有很大作用。

圖一：河北前進(jìn)鋼鐵有限公司正面圖

能源EMS系統(tǒng)采用C/S及B/S結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)考慮四層網(wǎng)絡(luò)。其一是工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的實(shí)時(shí)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)），通訊速率1000Mb，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及設(shè)備工藝狀態(tài)。其二是實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過冗余的分區(qū)SCADA服務(wù)器及操作站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視和操作控制。其三是管理信息網(wǎng)絡(luò)，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫資源，通過管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)能源的合理調(diào)配、預(yù)測(cè)和分析、統(tǒng)計(jì)報(bào)表打印等功能。其四是與ERP及MES接口網(wǎng)絡(luò)，通過中間服務(wù)器或防火墻實(shí)現(xiàn)與ERP、MES的數(shù)據(jù)信息交換。

圖三：能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

     圖四：前進(jìn)能源系統(tǒng)工業(yè)環(huán)網(wǎng)

如上圖：EMS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要分為三個(gè)部分。底層為西門子工業(yè)交換機(jī)組成的能源環(huán)網(wǎng)，上層為H3C商用交換機(jī)組成的中央網(wǎng)絡(luò)，外部為天融信防火墻，用于對(duì)外系統(tǒng)通信。其中，在EMS機(jī)房?jī)?nèi)布置兩臺(tái)H3C S5500-28C-EI交換機(jī)組成能源中央網(wǎng)絡(luò)。

圖五：SCALANCE XR324交換機(jī)

2.2 能源管理系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
      在通常的工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)發(fā)生傳輸介質(zhì)損壞或有交換機(jī)發(fā)生意外停機(jī)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致信息傳輸中斷。而采用了環(huán)網(wǎng)技術(shù)，當(dāng)單點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，就可切換到備用路由，大大提升了系統(tǒng)的可靠性。而從設(shè)備成本的角度考慮，只需在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了一條備用光纖。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置的角度看，只需開啟工業(yè)交換機(jī)的環(huán)冗余功能，不影響所有的正常的交換功能。就傳輸介質(zhì)來說千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)既可以用光纖也可以用雙絞線進(jìn)行組網(wǎng)，具有極大的靈活性?，F(xiàn)在大多數(shù)廠家的千兆換網(wǎng)交換機(jī)能夠在300ms內(nèi)完成切換，這種切換速度滿足大多數(shù)工業(yè)控制對(duì)交換機(jī)的響應(yīng)速度的要求。因此在系統(tǒng)中應(yīng)用千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，就能以很小的投資解決控制系統(tǒng)中傳輸鏈路存在的不可靠問題。各交換機(jī)之間采用trunk和西門子的HSR技術(shù)連接，保證網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余。

圖七：西門子交換機(jī)環(huán)網(wǎng)配置界面

2.2 西門子SCALANCE X交換機(jī)選型及組網(wǎng)
      西門子SCALANCE X系列交換機(jī)擁有從入門級(jí)交換機(jī)（SCALANCE X005與XB000），非網(wǎng)管型交換機(jī)（SCALANCE X-100），網(wǎng)管型交換機(jī)（SCALANCE X-200），增強(qiáng)型網(wǎng)管交換機(jī)（SCALANCE X-300），模塊化網(wǎng)管交換機(jī)（SCALANCE X-400）、核心級(jí)交換機(jī)（SCALANCE XR-500）等全套產(chǎn)品線，為組網(wǎng)提供了多種選擇和靈活的搭配方式。從可網(wǎng)管的X-200型以上系列的交換機(jī)就可以支持環(huán)網(wǎng)冗余了。
      在前進(jìn)能源管理系統(tǒng)中，由于節(jié)點(diǎn)較多、數(shù)據(jù)量較大我們?cè)诃h(huán)網(wǎng)主干上主要應(yīng)用了XR324和X414-3E兩款較高端的型號(hào)。前進(jìn)能源管理系統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離一般在2千米以內(nèi)，主干網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)要求以千兆速率組網(wǎng)。環(huán)上EMS01選用SCALANCE X324，其他環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選用SCALANCE X414-3E，分支接入點(diǎn)選用非網(wǎng)管型交換機(jī)SCALANCE XB004-1LD。
      SCALANCE XR324交換機(jī)可以配置不同基本模塊滿足不同的現(xiàn)場(chǎng)需求，模塊有：MM992-2CU（2x10/100/1000Mbit/s）電口模塊、MM991-2百兆單/多模模塊、MM992-2千兆單/多模模塊、100/1000 Mbit/s的SFP模塊。
      SCALANCE X400系列為模塊化交換機(jī)，以SCALANCE X414-3E交換機(jī)為例，在5號(hào)插槽上可接入千兆光纖模塊，6、7號(hào)插槽上可接入百兆光纖模塊，如需再增加模塊則須在12插槽上接入EM495-8(8個(gè)RJ45端口)或EM496-4（4個(gè)介質(zhì)插槽），具體配置組合方式如下圖。在能源系統(tǒng)中除環(huán)網(wǎng)所用的2個(gè)光口外，如接入子站超過2個(gè)則需要增加EM496-4，再配置光纖模塊。
3.西門子工業(yè)交換機(jī)環(huán)網(wǎng)配置
3.1西門子SCALANCEX交換機(jī)環(huán)網(wǎng)配置
      在環(huán)上以一臺(tái)交換機(jī)作為環(huán)管理交換機(jī)RM ，從RM結(jié)點(diǎn)的主、輔兩個(gè)接口均發(fā)送健全探測(cè)消息，其他節(jié)點(diǎn)在從環(huán)接口上收到健全探測(cè)消息則反射回去，從而達(dá)到對(duì)環(huán)網(wǎng)的冗余控制。環(huán)的狀態(tài)可分為，正常狀態(tài)、切換狀態(tài)和冗余狀態(tài)。在用西門子工業(yè)交換機(jī)組環(huán)網(wǎng)時(shí)需要注意太網(wǎng)總是保持總線型傳輸結(jié)構(gòu)，在配置完成前，不能閉合環(huán)網(wǎng)鏈路。HSR不可以與其他品牌具有環(huán)網(wǎng)協(xié)議產(chǎn)品的串接共同組環(huán)。在配置前需用PST（西門子初始化軟件）為交換機(jī)配置IP地址等內(nèi)容。
      在配置環(huán)時(shí)，為了保證系統(tǒng)的快速重構(gòu)和穩(wěn)定運(yùn)行最多可連接50個(gè)交換機(jī)在環(huán)上。環(huán)網(wǎng)中其中一臺(tái)作為冗余管理器RM，其余交換機(jī)作為環(huán)成員。在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下RM的環(huán)端口中有一個(gè)會(huì)處于斷開狀態(tài)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)線型的結(jié)構(gòu)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)傳輸介質(zhì)損壞或有交換機(jī)損壞時(shí)，環(huán)網(wǎng)會(huì)自動(dòng)啟用RM中斷開的端口，同時(shí)可以在300ms內(nèi)使切換到另一種線型結(jié)構(gòu)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障排除，可以恢復(fù)原有的線型結(jié)構(gòu)。在配置環(huán)網(wǎng)的時(shí)候，組成環(huán)的端口可以是光纖端口，也可以是電氣端口。需要注意的是，要使整個(gè)環(huán)都實(shí)現(xiàn)的傳輸速度，選擇作環(huán)的端口必須是的光纖或電氣端口。
      當(dāng)環(huán)狀網(wǎng)內(nèi)一個(gè)傳輸路徑或者SCALANCE X-400 交換機(jī)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，西門子SCALANCEX-400交換機(jī)傳輸路徑可在0.3秒內(nèi)重構(gòu)，同時(shí)，對(duì)于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)管理的集成功能通過SNMP 進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)，能自動(dòng)把網(wǎng)絡(luò)情況用E-mail 發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)管理員，支持VLAN ，SCALANCEX-414E還支持3層交換功能(IP路由)。
4.應(yīng)用體會(huì) 
      在結(jié)點(diǎn)數(shù)較多的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，會(huì)出現(xiàn)上百臺(tái)終端出現(xiàn)在同一LAN區(qū)域內(nèi)的情況，在這種大型的環(huán)結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)大量廣播、組播影響網(wǎng)絡(luò)的性能。這時(shí)把大環(huán)化為幾個(gè)獨(dú)立的小環(huán)，在各個(gè)小環(huán)間以三層的方式完成小環(huán)間各LAN的通訊可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的性能。在對(duì)可靠性要求更高的生產(chǎn)環(huán)境中，可采用單機(jī)雙環(huán)，或雙機(jī)雙環(huán)的方式提供更可靠的服務(wù)，當(dāng)然成本也成倍的增加。多環(huán)組網(wǎng)時(shí)協(xié)議效率、可靠性、交會(huì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的壓力等問題仍舊需要深入研究。
      除西門子的HSR協(xié)議之外，現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)冗余功能各個(gè)廠商有各自開發(fā)的協(xié)議，在實(shí)踐中有時(shí)遇到將兩三家廠商的集成在一起的情況，由于各廠商環(huán)冗余協(xié)議間的互相不支持，經(jīng)常出現(xiàn)問題。為此國(guó)際電工委員會(huì)制定了MRP（Media Redundancy Protocol）協(xié)議, 這一協(xié)議對(duì)環(huán)網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，允許不同品牌的設(shè)備連接在一起組成環(huán)網(wǎng)。西門子的交換機(jī)產(chǎn)品也已經(jīng)全面支持MRP協(xié)議了，并且西門子交換機(jī)能夠自動(dòng)檢測(cè)環(huán)上采用了哪種冗余協(xié)議。
5.項(xiàng)目運(yùn)行情況
      前進(jìn)鋼鐵能源管理系統(tǒng)于2012年底開始實(shí)施，到目前已基本上線。系統(tǒng)硬件設(shè)備考核過關(guān)，系統(tǒng)功能較為完善，對(duì)業(yè)主能源管理、節(jié)能減排工作起到了極為重要的作用，得到了用戶的充分肯定。
       西門子SCALANCE X系列工業(yè)交換機(jī)性能完全達(dá)到了能源管控系統(tǒng)對(duì)交換機(jī)的要求，性能穩(wěn)定，各種通訊協(xié)議完備。目前西門子交換機(jī)已在裝備制造業(yè)、冶金行業(yè)、大型化工行業(yè)能源系統(tǒng)中成功應(yīng)用，是能源管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊可靠的網(wǎng)絡(luò)通訊保障。