工业以太网交换机的具体应用和部署.ppt

工业以太网交换机的具体应用和部署 纲要 1 工业以太网交换机 2 工业以太网交换机在智能变电站中的应用 3 工业以太网交换机在轨道交通综合监控系统中的应用 4 工业以太网PROFINET革新制丝线控制系统解决方案 工业以太网交换机 IndustrialEthernetSwitches 是可以满足工业现场需要 技术上与商业以太网交换机兼容 而实时通讯 可靠性 稳定性 安全性 环境适应性等各方面要求高于商业以太网交换机的一种以太网设备 可细分为分为网管型 Managed 和非网管型 Unmanaged 网管型工业以太网交换机具有单位价值高的特点 目前占据市场主流 特征 1 功能 工业以太网交换机与工业网络通讯更加接近 比如各种现场总线的互通互联 设备的冗余以及设备要求的实时性 2 性能 主要体现在适用外界环境的参数不一样 工业环境除了特别恶劣的环境之外 还要求有EMI电磁兼容 温度 湿度 防尘等 特别是温度对工业网络设备的影响是最广泛的 工业以太网交换机简介 根据Frost Sullivan的行业研究 从2005年开始 中国工业以太网交换机市场需求出现大幅增长 2008年 中国工业以太网交换机市场规模达5 4亿人民币 预计未来会以26 2 的增速保持增长 如图所示 2008 2013年的CAGR为26 2 中国工业以太网交换机市场规模 中国工业以太网交换机正处于产品生命周期的成长期 被广泛应用于交通 电力 冶金 煤炭 石化 水处理等行业 工业以太网交换机的应用 1 工业以太网交换机 2 工业以太网交换机在智能变电站中的应用 3 工业以太网交换机在轨道交通综合监控系统中的应用 4 工业以太网PROFINET革新制丝线控制系统解决方案 智能变电站的概念是随着智能电网概念的提出而一并提出的 可以讲是智能电网的一个最重要 最关键的 终端 承担为智能电网提供数据和控制对象的功能 采用先进 可靠 集成 低碳 环保的智能设备 以全站信息数字化 通信平台网络化 信息共享标准化为基本要求 自动完成信息采集 测量 控制 保护 计量和监测等基本功能 并可根据需要支持电网实时自动控制 智能调节 在线分析决策 协同互动等高级功能的变电站 因此 智能变电站需要数字化的通信平台 基于IEC61850标准的变电站网络通信是最大的共同点 智能变电站概念 智能变电站的组成 星形拓扑结构最小延迟 从IDE到IDE之间只有三跳 全部连接到中心交换机通常成本高且不易实现 没有冗余 任一电缆 交换机的故障可能导致多个IDE与站控级断开 典型网络结构 环形拓扑结构N 1网络冗余容错能力 采用RSTP自动组态 多环连接可以组成网格形拓扑结构 通信网络 基于可行性 可靠性 重要性等站控间隔层网络功能和综自站相同多套用成熟方案 国外单环网 国内单 双星 过程层网络采样值 点对点 组网 点对点 组网GOOSE 组网 点对点 组网交换机VLAN 工程化应用GMRP 1588 智能变电站系统中基于工业以太网交换机的通信网络 网络结构的推荐 采样值 GOOSE 同步三网合一将提高系统可靠性GOOSE和采样值合网带宽上具有可行性 稳定流量和突发性流量配合 降低了成本48点 周波供保护测控 200点 周波点对点供计量9 2 48点 周波 16回达到80Mbit s以太网时钟同步与采样网合一IEEE1588v2 硬件参与 ns级对时 满足计量要求提高了采样数据的可靠性 过程层合网的可能性 智能变电站网络机构 智能变电站网络机构 智能变电站网络机 均不包含组网部分 性能方面 Performance 电磁兼容性和和可靠性必须达到或高于保护装置的要求符合IEC61850 3 IEEE1613CLASS2标准适应恶劣环境 宽工作温度范围 无风扇散热 40to 85 C 湿度达95 交换功能方面 SwitchingFunctions 保证GOOSE报文传输 零丢包保证网络实时性 支持优先级支持VLAN支持RSTP网络冗余具有足够的安全性支持链路聚合带端口镜像功能支持组播管理 GMRP时钟同步 SNTP IEC61588 IE1588 智能变电站系统对工业以太网交换机的要求 注 本部分内容主要来源于 智能变电站网络交换机技术规范 智能变电站实时报文的优先级处理 过程层网络 站控层网络 全线速交换机 100 可用带宽增加带宽 如果100Mbps不够 采用1000Mbps作为主干交换机必须支持GOOSE报文采用IEEE802 1p优先级采用IEEE802 1qVLAN隔离实时数据IGMPSnooping用于组播过滤和管理 实时性问题的解决 减少广播流量隔离带有关键实时数据的IEDs 这些设备不需要处理无关的数据包隔离产生大量数据输出的设备 VLAN 802 1Q GMRP组播功能 GARPMulticastRegistrationProtocol 二层IEEE802 1D标准 在支持GMRP的交换机和装置之间传输组播注册信息 动态维护组播地址表 GMRP off组播被发送到交换机的所有端口 GMRP on组播只发送到 member 端口 IEEE1588时钟同步 浙江绍兴110kV大侣变电站来源于ROGGEDCOM 基于工业以太网交换机的智能变电站实际案例 浙江外陈220kV智能变电站 上海南桥500kV智能变电站来源于ROGGEDCOM 中国市场中应用于智能变电站的工业以太网交换机产品 中国工业以太网交换机市场活跃着大约50家厂商 这些厂商可以被简单地分成两个阵营 一类是以赫思曼为代表的传统意义上的产品供应商 另一类是以西门子为代表的系统解决方案供应商 有些厂商两种角色兼备 如西斯耐特 分销是中国工业以太网交换机市场的主要渠道 有近70 的工业以太网交换机是通过分销的方式进入到市场的 通常外资企业采用分销的方式销售产品 内资企业采用直销的方式 比如像HIRSCHMANN ROGGEDCOM SIEMENS MOXA这些市场规模大的厂商 他们在国内的一线城市北京 上海 深圳等都有代理商 上海海得等是中国工业以太网交换机市场上比较知名的经销商而国内的很多中小企业虽然有生产工业以太网交换机的能力 但是却没有做市场推广 也没有更多的销售渠道 这已成为制约其发展的重要因素 工业以太网交换机走向市场的模式 1 工业以太网交换机 2 工业以太网交换机在智能变电站中的应用 3 工业以太网交换机在轨道交通综合监控系统中的应用 4 工业以太网PROFINET革新制丝线控制系统解决方案 轨道交通系统由许多个子系统组成 包括控制和调度系统 信号系统 环境监控系统 网络化视频监视系统和供电系统 这些系统在轨道交通运行过程中起着极大作用 就像轨道沿线分布着不同站点一样 它们通常分布在各个不同的地方 轨道交通综合监控系统 ISCS 的主要功能包括对机电设备的实时集中监控和各系统之间协调联动 一方面 通过ISCS系统可实现对PSCADA FAS BAS ACS PA PSD AFC CLK等系统进行实时集中监控的基本功能 另一方面 通过ISCS系统 还可实现晚间非运营情况下 日间正常运营情况下 紧急突发情况下和重要设备故障情况下各相关系统设备之间协调互动等高级功能 轨道交通综合监控系统 高可靠性实时监视和图像获取 视频监视系统必须实现交通情况的实时传输 高带宽无线网络 每个十字路口的交通控制器应该能够使用无线网络来传输一部分信号来实现信息的同步 这样可以减少线缆的费用 嵌入式计算能力嵌入式计算机对控制信号进行实时运算 然后给出正确的控制策略 超长距离传输冗余电源和网络 冗余性在交通系统中扮演着重要的角色 它可以保证整个系统无间断运行 抗干扰宽温设计 通常 交通自动化系统中所采用的设备必须能够在 40到75 的温度范围内正常工作 实时以太网铁路系统需提供实时信息 并开需要开放快速的传输网络 轨道交通综合监控系统要求 来源于MOXA 轨道交通综合监控系统网络结构 完整的轨道交通系统是一个层次化的网络 设备层控制网络一般采用现场总线 它们通过网关实现与以太网络的通信 所有的现场信息经由以太网络被传输给上层网络 工作站级控制网络通过以太网将各车站的主要子系统连接起来 然后被集成到骨干网络以实现站与站之间运行信息的传输 骨干网络收集到来自各站点的系统运行信息并将它们传输到中控室 这样 中控室得到足够的信息之后便可以对系统进一步分析和控制 设备层网络主要采集来自PLC DCS系统 现场I O设备 SCADA和CCTV系统的系统运行信息 并通过网关将这些信息发送到以太网上 骨干网络使用的是千兆以太网络 它可以为站与站之间的数据 图像传输提供足够的带宽 所有的站点都采用三层网络的结构连接在一起 实现了系统稳定运行时所需信息的整合 轨道交通综合监控系统解决方案描述 ISCS系统三层骨干交换机EDS 828 G5248G 410G口万兆模块化三层网管型工业以太网交换机 最多支持48个千兆端口 4个万兆端口 支持RIPV1 V2 OSPF VRRP等三层协议 TurboRing 自愈时间 20ms 全负载 和RSTP STP来源于MOXA 轨道交通综合监控系统中交换机的性能需求 BAS系统二层PLC通讯交换机EDS 600系列紧凑型模块化网管型以太网交换机 紧凑型模块化设计 支持TurboRing和RSTP STP IEEE802 1W D 以太网冗余 支持QoS IGMPsnooping GMRP VLAN LACP SNMPv1 v2c v3 RMON ISCS系统FEPX86平台DA 710系列基于x86架构机架式嵌入式工业计算机配备4个扩展模块插槽 可用于扩展网口或串口 每个模块最多8个端口 Intel赛扬M2 0GHz处理器 前端总线频率533MHz 4个独立MAC千兆网口 支持冗余网络 ISCS系统FEPRISC平台 来源于MOXA DA 662系列基于RISC架构机架式嵌入式计算机 国家电网电磁兼容性4级认证 IntelXScaleIXP 425533MHZ处理器 板载128MBRAM 32MBFlash 内置LINUX或WINCE5 0操作系统 16个软件选择RS 232 422 485串口 PSCADA系统工业级光纤收发器 光电转换器IMC 101系列工业级10 100 1000BaseT X 转100 1000BaseFX光电转换器 LinkFaultPass Through LFP 宽温型号支持 40 75 工作温度 电源故障或线路中断时 继电器输出警报 PSCADA系统串口设备联网服务器NPort5650I系列串口设备联网服务器 所有串口信号带光电隔离保护 提供8个RS 232 422 485三合一串口 紧凑的桌面型设计 轨道交通综合监控系统中交换机的产品 1 工业以太网交换机 2 工业以太网交换机在智能变电站中的应用 3 工业以太网交换机在轨道交通综合监控系统中的应用 4 工业以太网PROFINET革新制丝线控制系统解决方案 原电控系统的各个工艺段由PLC 触摸屏 现场I O站组成控制系统 现场总线将各部件联接 现场层与监控管理层通过以太网交换机进行联接 缺点 工艺段进行调整时 整个工艺段的电控系统要重新设计 现场触摸屏的人机界面功能单薄 当现场操作触摸屏出现问题时 其所负责的监控的工艺段就无法实现人机交互的功能 当控制系统的集中监控计算机停机 包括正常停机和故障停机 时 整条制丝生产线就不能正常生产 原制丝线控制系统 PROFINET是一个整体的解决方案 它使用TCP IP和IT标准 符合基于工业以太网的实时自动化体系 PROFINET能够实现与现场总线的无缝集成 它可以满足用于所有客户需要的统一的通信 将现场总线传输现场信息的实时性 使用方便 诊断功能强和经济性的特点 与工业以太网的多主站 通用性 同时能够通过采用不同速率来传输大数量信息的特点有机地结合起来 由具有网络管理功能和三层交换路由功能的工业以太网交换机组成冗余光纤环网作为车间级的主干通讯网络网 主要用于各控制系统间的网络通讯和控制系统与集中监控系统间的通讯 按照工艺段和各控制系统的控制范围划分 采用工业以太网交换机为各工艺段控制系统构建星型控制子网络 以提供各控制段主控器件和IO站点间的网络通讯 各控制子网可通过交换机接入主干网 为集中监控系统构建子网络 该网络一方面通过以太网交换机接入车间主干网 完成集中监控系统和控制系统间的网络通讯 另一方面通过交换机或Web服务器与厂级网络连接 为厂级数据通讯提供网络接口 同时在与厂级网接口处安装硬件防火墙 以保护集控系统和控制系统安全 防止来自厂级网和Internet的侵害 所有网络设备采用双路供电 以保证网络设备具备冗余电源供应 确保网络的稳定可靠 基于PROFINET新制丝线控制系统解决方案描述 实现功能 批次任务管理 集中监控 生产报表 统计 设备控制 电机保护和紧急断电 回路控制 在线诊断 报警 变频控制 新制丝线控制系统网络结构图 PROFINET交换机构建冗余光纤环网 各工艺段的电气设备不再按物理划分 全部就近接入工业以太网PROFINET 各工艺段的逻辑结构在组态时完成 与硬件位置无关 PLC要求具备PROFINET接口 现场I O子站的藕合器要求具备PROFINET接口 此外 交换机要求支持PROFINET功能 这样才能传送实时信号 控制层骨干网络由最新的SCALANCEX系列交换机搭建 网络拓扑结构 类型以及端口数量都可很容易地适配工厂布局 它有高度的网络可用性 即使故障时 也能通过非常快速的网络重新配置 0 3s 可靠通讯 通过SC接口 千兆以太网 ST接口 快速以太网 以及预装配光纤 可实现简便的光纤连接技术 无需进行传输时间的计算就可以简单地进行网络组态 应用信号触点 数字量输入 SNMP以及电子邮件和PROFINEIO诊断功能 监视和诊断都十分简便 通过在SIMATIC系统故障报文概念SFM的集成 降低SPS HMI工程费用 新制丝线控制系统对工业以太网交换机的性能要求 新的工业以太网PROFINET控制系统 带来一个问题 大量的设备直接连在网络中 导致大量的数据包充斥网络 造成通讯效能下降 解决办法就是使用VLAN 虚拟局域网 即在交换机中启动VLAN功能 参见具体产品说明书 将逻辑上属于同一工艺段的电气器件划归同一个VLAN 如图所示 VLAN划分 应用于该领域的以太网交换机产品 从长远来看 工业以太网交换机应用上存在的一些技术问题 包括防护技术 防水 防尘 本安防爆 通讯实时性 稳定性等 都将逐步得到解决 而无线网络 蓝牙等网络技术的发展更是为工业以太网交换机技术的发展注入了新的活力 可以预见 未来的工业以太网交换机将会是科技含量更高 适用范围更广的高科技产品 未来大陆工业以太网交换机市场将受到技术更新 竞争加剧 新兴行业出现等多方面因素的影响 市场存在许多未知的机会与挑战 总结