摘要：介紹了雙環網，單環網，雙星網和單星網的特點及應用實例，介紹了網絡安全預案的編制方法，分析了雙環網安全預案的實用價值。

1 四種網絡拓撲

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

      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，探討復雜控制系統網絡拓撲的設計。

2 焦化工程集控系統網絡

      高溫煉焦是煤綜合利用的重要途徑，也是冶金工業的重要組成成分。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，裝煤車按作業計劃從煤塔取煤，經計量后裝入炭化室內。煤料在炭化室內經過一個結焦周期的高溫干餾制成焦炭，再經過熄焦和篩焦按級別貯存待運。煤在炭化室干餾過程中產生的荒煤氣被冷卻，在煤氣凈化車間經過各種加工最后得到凈煤氣和各種副產品。

      煉焦生產控制系統主要由八個子系統組成，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。

      這8個系統實現分散控制集中管理的模式進行監控，可以監控廠區內任何一個角落。圖1為系統網絡。

3網絡規劃原則

      可靠的網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。
冗余設計是提高產品安全性，減少因為偶然誤差或用戶使用不當而破壞產品功能可能性的重要手段，圖1焦化工程網絡規劃原則是：

      ①有冗余控制器的系統采用雙環或雙星

      ②重要的非冗余系統采用雙星網

      ③非冗余控制器采用單環網，再偶合到整個系統

3．1 雙環形

      備煤、煉焦DCS和焦處理系統都是雙CPU冗余系統[1]（CPU冗余，控制網介質冗余，電源冗余），設計成雙光纖環網，從每個環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線、交換機和內/外光纖環網同時產生故障。是工業上最高等級的冗余控制系統。保證數據在網絡上能夠安全、實時的傳輸。在此雙環上的交換機必須是可網管交換機。

3．2 單環形

      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是單CPU控制系統，它們組成單環網并分別連接到中控室的二層交換機CC01-SWA和CC01-SWB，運行時允許環網有一點斷路，可以保證數據安全快速到達。在此單環上的交換機必須是可網管交換機。

3．3 雙星形

      煤氣凈化系統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；酚氰廢水系統采用雙星網絡分別連接到中控室的兩臺二層交換機CC01-SWA和CC01-SWB；在此雙星網上的交換機必須是可網管交換機。

3．4 單星形

      自動配煤、煤稱重、制冷站等系統從工藝的角度上看都是獨立的控制系統，這兩個系統提供OPC接口，將此系統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

      工業場合應該采用工業以太網交換機，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環境的要求，且不能構成高速冗余環網的連接方式。

圖1網絡有四層交換機：

      （1）設備層交換機：RS20-0900MMM2SDAP可網管一體化交換機：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雙環網結構；

      （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管軟件：HiVision PC Base Enterprise MACH4002系列產品許可證和Ind. HiVision-Operator Ed.50 Nodes（操作員版）

5 網絡安全預案

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

      今以雙環結構故障F12，F13，F14，F15為例進行說明（見圖2、表3）。

6 快速生成樹RSTP

      交換網絡冗余設計，會產生廣播風暴、網絡環路等問題，嚴重時將導致整個網絡癱瘓。

      解決循環連接的方法是生成樹STP，作用原理是：STP采取網絡環路偵測和預防（Network loop detection and prevention）措施，以確保任何兩個局域網之間只有一條路徑，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路的發生，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狀態需要經過阻斷、監聽、學習、轉發延遲等階段，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，產生了快速生成樹協議（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狀態，大大加大收斂速度，使環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，需要妥善處理網絡系統的可靠性和網絡系統的成本問題，為此需要根據各個子系統在整個系統中的地位，選擇合理的網絡拓撲結構，正確選擇交換機，并做好網絡安全預案。