基于工业以太网络融合的庞庞塔选煤厂汽运装车网络系统的设计与应用

成举炳

（北京华宇工程有限公司，河南平顶山 467000）

1 选煤厂工业以太网现状及VLAN、QoS简介

目前国内选煤厂主干网络已经全面进入工业以太网阶段，在基础工业网络设备中，国内外品牌众多，质量可靠。

PLC集中控制系统不仅与HMI的通信采用以太网方式，而且其RI／O也全面采用以太网方式，通信协议主要向Profinet和Ethernet IP靠拢。RTU终端设备接口也由RS485向工业以太网迁移，或者终端I／O设备通过以太网网关接入工业以太网，例如AB公司的低压综保E3系列也由Device net向Ethernet IP转移。工业电视系统已全面完成了模拟制式向数字网络制式的过渡，全面采用了以太网通信方式；调度电话系统目前还是以传统的程控数字调度电话系统为主，位于机房的调度电话主机柜通过向现场敷设的大对数双绞线，在现场设分线箱并分线至各电话分机。也有选用总线型扩音电话，采用多芯电缆呈总线模式连接主机与各分机。

受选煤行业技术水平以及传统设备影响的制约，虽然设备的通信接口已经采用以太网通信，但未能在网络复用、管理上跟进，而是担心网络设备间的流量冲突、阻塞、信息安全和管理困难，所以对各系统的以太网络进行物理上的分别敷设、隔离，造成现场工业以太网基础设施的大量重复建设。建一套系统就敷设一套通信光缆和铜缆，使得现场和中心机房充斥着大量光缆和光端机，进而造成极大的浪费。此种情况在国内各选煤厂几乎比比皆是。

在其他行业，如ISP接入业务，早已将电视、电话、网络通过光端设备接入用户，并确保各类业务稳定、流畅工作，如各ISP已在 “光猫”上实现了固话、IPTV、宽带的综合业务。

为解决选煤厂存在的问题，根据其他行业的成熟经验，对工业网络系统进行技术升级，引入VLAN（Virtual Local Area Network）和 QoS（Quality of Service）技术，并在工程中进行了设计、实践。

以太网是一种基于CSMA／CD的共享通讯介质的数据网络通讯技术，当主机数目较多时会导致广播泛滥、性能显著下降，甚至网络不可用等问题。在低端的办公网络中，这种问题普遍出现过，这也是大家对工业以太网融合存在疑虑的原因。在这种情况下出现了VLAN技术，这种技术可以把一个 LAN划分成多个逻辑的 LAN—VLAN，每个VLAN是一个广播域，VLAN内的主机间通信就和在一个LAN内一样，而VLAN间则不能直接互通，这样，广播报文被限制在一个VLAN内。同一个VLAN内的主机通过传统的以太网通信方式进行报文的交互，而不同VLAN内的主机之间则需要通过路由器或三层交换机等网络层设备进行通信。如图1所示。

如果把LAN比做一条高速公路的话，那么VLAN就像是高速公路上划分的车道，每个VLAN的数据只能在各自的车道通行，所以不同VLAN的数据不会产生交集，也就不会引起数据安全问题和冲突。

由于所有VLAN的数据都由交换机的物理网络接口承载，因此，当网络带宽有限，同时数据流量比较大的时候，如果各VLAN公平竞争通信，可能会出现因为工业电视系统的视频数据流量较大，从而挤占整体带宽，进而造成PLC系统VLAN内部堵塞严重的问题。就像高速公路虽然划分了车道，但是如果某条车道车流量较大，最终车流蔓延至整个车道，造成整条道路的堵塞。在这种有限网络带宽的情况下，引入QoS就可以解决此问题。

图1 VLAN分割网络示意

通常将数据流量根据实时性的要求分为不同层级。比如PLC控制系统的实时性要求最高，务必保证其通信实时要求，否则会造成通信中断、系统停车等事故；其次是VOIP电话系统，时延加大会造成双向通话效果大打折扣，导致沟通效率下降；工业电视系统要求则相对较低，时延较大会出现短时马赛克，这是可以容忍的。

QoS功能用以提高特定数据的网络传输实时性，提供高质量的网络服务。在传统的IP网络中，所有的报文都被无区别地等同对待，网络尽最大的努力发送报文，但对时延、可靠性等性能不能提供任何保证。而每种业务要求的传输时延、可变迟延、吞吐量和丢包率都不同，因此，为用户各种业务提供不同的服务质量（QoS）应运而生。交换机通过在入口阶段对数据流进行分类，然后在出口阶段将不同类型的数据流映射到不同优先级的队列，最后依据调度模式来决定不同优先级队列的数据包被转发的方式，从而实现了QoS功能。如图2所示。

图2 QoS数据分类调度示意

在网络拥堵时，采用队列调度来解决多个数据流同时竞争使用资源的问题。交换机实现了8个调度队列，其中TC0对应最低优先级的队列，TC7对应最高优先级的队列。同时，交换机提供了多种调度模式，分别是严格优先级模式（SP）、加权轮询优先级模式（WRR）、SP+WRR模式。这样即使网络出现拥堵，但仍可以将PLC数据优先发送，确保PLC实时性，而工业电视监控系统可能会出现马赛克现象。由此可以看出，解决数据冲突、堵塞、安全问题，可以在增加网络带宽、VLAN、QoS方面权衡考虑。体现在高速公路的例子上，表现为增加道路宽度、划分车道、设置优先特权车道等。

2 设计原则、方案

在工业以太网络融合设计中，需要将各子系统的以太网设备接入一个网络中，因此要提前考虑以下因素：各设备采用标准以太网协议；根据整体数据流量，确定主干、分支网络的带宽；根据系统要求，规划VLAN、QoS；选择合适的交换机设备及接口。

在庞庞塔选煤厂汽运装车网络系统设计中，各子系统通信接口全部基于工业以太网接口：PLC控制系统使用了AB的MicroLogix 1400，采用Ethernet IP协议；IP广播系统采用全IP协议，工业电视系统和车牌识别采用海康威视网络产品；LED声光指引采用了易泊产品，并全部采用TCP SDK协议进行二次开发，如图3所示。

在网络设计中，将所有以太网数据全部集中在一张物理网络，各子系统数据被划分在不同VLAN中，并按系统的优先级不同划分为4个VLAN，分别是：PLC控制系统对应最高的VLAN（VLAN11），其次是 PC通信及车牌识别（VLAN12）、 VOIP 系统（VLAN13）、 工业电视系统（VLAN14），系统默认VLAN为VLAN1。各地磅房和装车点配置深圳讯记的管理型工业交换机CK7080，中心机房设置深圳华为的三层交换机S5720-28，之间采用1000 M光缆连接。

图3 网络系统拓扑示意

各系统VLAN之间要进行TCP通信，同时此项目为了接入公有云实现移动终端访问及远程维护目的，须实现各VLAN间通信，所以需要将各VLAN进行三层路由连接，在此可配置华为三层交换机S5720-28的VLAN路由功能，实现VLAN路由转发功能。

VPN接入采用贝锐公司的蒲公英系列设备，可经济实现远端互联网接入，满足全端口、全业务访问。

3 工程应用实践

3.1 CK7080

现场设置的管理型交换机共10个端口，分别为2个1000 M SFP光纤接口，8个100 M电口。SFP光纤接口用于现场交换机之间的主干光缆连接，100 M电口用于连接现场设备，分别为MicroLogix 1400、IP广播、工业电视系统，并按端口进行了优先级划分。光纤GE1、GE2接口设置Tagged，对VLAN数据进行加标操作；电口设置为各对应VLAN，对出口数据进行Untagged去标操作。电口设置为各对应QoS级别，按级别高低依次设置为7～0。

3.2 S5720-28

机房配置2台（2套系统）交换机，每台有24个千兆电口，4个SFP光口。SFP光纤接口采用单模4芯光缆与现场CK7080连接。设置4个VLAN，每个VLAN设置Vlanif接口，IP地址为192.168.∗.254，掩码为255.255.255.0。与PC终端连接的端口类型设置为 “ACESS”，SFP光口端口类型设置为 “TRUNK”，并且将 “转发VLAN”设置为全部已有VLAN。最后为防止网络环回故障，开启交换机的端口环回测试功能。

网络系统调试完毕后，实现了如下功能：①全部设备、全部业务 “一张网”接入；② 主干网络的1000 M高速带宽；③ 划分多个子系统VLAN，设定多个QoS等级，实现现场以太网端口的100 M接入，并确保各系统性能要求；④提供VPN连接，实现接入公有云及远程维护；⑤现场各端口根据ACL规则，实现安全访问，防止非法接入。

融合后，各子系统可以减少（或减免）光缆约2000 m，少用桥架材料若干；节省光口交换机30余台；核心交换机可升级为更高配置；节省了安装及人工费。

4 总 结

综上所述，采用上述方案，可避免出现以往项目存在几套子系统就敷设几套光纤以太网络的现象；在确保网络业务性能的同时，极大地降低了工业以太网的设备和安装成本，现场、机房网络设备简洁、规范，并有效提升了信息系统的安全性。