圖一：河北前進鋼鐵有限公司正面圖

1.項目簡介

河北前進鋼鐵集團有限公司創建于1986年，，經過十余年經營，公司已發展為集冶金科技、礦業開發、鋼鐵冶煉、鋼材加工、國際貿易為一體的民營鋼鐵聯合企業，成為河北省重點鋼鐵企業之一，在冶金業享有較高的聲譽。

河北前進鋼鐵能源管理系統是前進鋼鐵企業自動化和信息化的重要組成部分，是一個集過程監控、能源調度、能源管理為一體的、以計算機技術為基礎的管控一體化系統，涵蓋了企業產能、用能的主要部門。可以對能源的統一調度、優化能耗平衡、減少煤氣放散、提高環保質量、降低噸鋼能耗和提高勞動生產率。系統主要負責對電力系統、動力系統和給排水系統數據實行集中監控和管理。通過對能源系統實行集中監測和控制，實現從能源數據采集──過程監控──能源介質消耗分析──能耗管理等全過程自動化、高效化、科學化管理。通過數據分析，可以幫助企事業單位對主要耗能設備進行實時考核，杜絕浪費，并可以幫助企業單位進一步優化使用狀況，以降低單位能耗成本，提高企事業單位綜合競爭力。

圖二：能源管控大廳

2.能源管理系統構成

2.1系統網絡結構

能源管理系統是一個企業級別的系統,其網絡范圍覆蓋全廠,通常有幾十或幾百個節點組成。作為系統中樞神經的工業以太網的性能及穩定性對于整個系統的穩定運行具有很大作用。

能源EMS系統采用C/S及B/S結構,網絡架構考慮四層網絡。其一是工業以太環網的實時采集網絡系統（單獨網絡），通訊速率1000Mb，實時采集現場數據及設備工藝狀態。其二是實時監控網絡，通過冗余的分區SCADA服務器及操作站實現現場設備的實時狀態監視和操作控制。其三是管理信息網絡，利用實時數據庫和關系數據庫資源，通過管理平臺實現能源的合理調配、預測和分析、統計報表打印等功能。其四是與ERP及MES接口網絡，通過中間服務器或防火墻實現與ERP、MES的數據信息交換。

圖三：能源管理系統網絡結構圖

如上圖：EMS系統網絡主要分為三個部分。底層為西門子工業交換機組成的能源環網，上層為H3C商用交換機組成的中央網絡，外部為天融信防火墻，用于對外系統通信。其中，在EMS機房內布置兩臺H3CS5500-28C-EI交換機組成能源中央網絡。

2.2能源管理系統工業以太網絡架構

在通常的工業以太網結構中，當發生傳輸介質損壞或有交換機發生意外停機時，會導致信息傳輸中斷。而采用了環網技術，當單點發生故障時，就可切換到備用路由，大大提升了系統的可靠性。而從設備成本的角度考慮，只需在原有系統基礎上增加了一條備用光纖。從系統設計和配置的角度看，只需開啟工業交換機的環冗余功能，不影響所有的正常的交換功能。就傳輸介質來說千兆工業以太環網既可以用光纖也可以用雙絞線進行組網，具有極大的靈活性。現在大多數廠家的千兆換網交換機能夠在300ms內完成切換，這種切換速度滿足大多數工業控制對交換機的響應速度的要求。因此在系統中應用千兆工業以太環網，就能以很小的投資解決控制系統中傳輸鏈路存在的不可靠問題。各交換機之間采用trunk和西門子的HSR技術連接，保證網絡鏈路冗余。

圖四：前進能源系統工業環網

2.2西門子SCALANCEX交換機選型及組網

西門子SCALANCEX系列交換機擁有從入門級交換機（SCALANCEX005與XB000），非網管型交換機（SCALANCEX-100），網管型交換機（SCALANCEX-200），增強型網管交換機（SCALANCEX-300），模塊化網管交換機（SCALANCEX-400）、核心級交換機（SCALANCEXR-500）等全套產品線，為組網提供了多種選擇和靈活的搭配方式。從可網管的X-200型以上系列的交換機就可以支持環網冗余了。

在前進能源管理系統中，由于節點較多、數據量較大我們在環網主干上主要應用了XR324和X414-3E兩款較高端的型號。前進能源管理系統工業網絡各個節點間的距離一般在2千米以內，主干網絡根據系統要求以千兆速率組網。環上EMS01選用SCALANCEX324，其他環網節點選用SCALANCEX414-3E，分支接入點選用非網管型交換機SCALANCEXB004-1LD。

SCALANCEXR324交換機可以配置不同基本模塊滿足不同的現場需求，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、100/1000Mbit/s的SFP模塊。

SCALANCEX400系列為模塊化交換機，以SCALANCEX414-3E交換機為例，在5號插槽上可接入千兆光纖模塊，6、7號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RJ45端口)或EM496-4（4個介質插槽），具體配置組合方式如下圖。在能源系統中除環網所用的2個光口外，如接入子站超過2個則需要增加EM496-4，再配置光纖模塊。

圖五：SCALANCEXR324交換機

3.西門子工業交換機環網配置

3.1西門子SCALANCEX交換機環網配置

在環上以一臺交換機作為環管理交換機RM，從RM結點的主、輔兩個接口均發送健全探測消息，其他節點在從環接口上收到健全探測消息則反射回去，從而達到對環網的冗余控制。環的狀態可分為，正常狀態、切換狀態和冗余狀態。在用西門子工業交換機組環網時需要注意太網總是保持總線型傳輸結構，在配置完成前，不能閉合環網鏈路。HSR不可以與其他品牌具有環網協議產品的串接共同組環。在配置前需用PST（西門子初始化軟件）為交換機配置IP地址等內容。

在配置環時，為了保證系統的快速重構和穩定運行最多可連接50個交換機在環上。環網中其中一臺作為冗余管理器RM，其余交換機作為環成員。在網絡正常的情況下RM的環端口中有一個會處于斷開狀態，此時網絡呈現線型的結構。當網絡中出現傳輸介質損壞或有交換機損壞時，環網會自動啟用RM中斷開的端口，同時可以在300ms內使切換到另一種線型結構。當網絡故障排除，可以恢復原有的線型結構。在配置環網的時候，組成環的端口可以是光纖端口，也可以是電氣端口。需要注意的是，要使整個環都實現的傳輸速度，選擇作環的端口必須是的光纖或電氣端口。

當環狀網內一個傳輸路徑或者SCALANCEX-400交換機發生錯誤時，西門子SCALANCEX-400交換機傳輸路徑可在0.3秒內重構，同時，對于現有網絡管理的集成功能通過SNMP進程來實現，能自動把網絡情況用E-mail發送給網絡管理員，支持VLAN，SCALANCEX-414E還支持3層交換功能(IP路由)。

圖六：SCALANCEX414-3E交換機模塊配置圖

4.應用體會

在結點數較多的環型網絡結構中，會出現上百臺終端出現在同一LAN區域內的情況，在這種大型的環結構中會出現大量廣播、組播影響網絡的性能。這時把大環化為幾個獨立的小環，在各個小環間以三層的方式完成小環間各LAN的通訊可以有效提高網絡的性能。在對可靠性要求更高的生產環境中，可采用單機雙環，或雙機雙環的方式提供更可靠的服務，當然成本也成倍的增加。多環組網時協議效率、可靠性、交會節點設備的壓力等問題仍舊需要深入研究。

除西門子的HSR協議之外，現階段實現環網冗余功能各個廠商有各自開發的協議，在實踐中有時遇到將兩三家廠商的集成在一起的情況，由于各廠商環冗余協議間的互相不支持，經常出現問題。為此國際電工委員會制定了MRP（MediaRedundancyProtocol）協議,這一協議對環網協議進行了標準化，允許不同品牌的設備連接在一起組成環網。西門子的交換機產品也已經全面支持MRP協議了，并且西門子交換機能夠自動檢測環上采用了哪種冗余協議。

圖七：西門子交換機環網配置界面

5.項目運行情況

前進鋼鐵能源管理系統于2012年底開始實施，到目前已基本上線。系統硬件設備考核過關，系統功能較為完善，對業主能源管理、節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SCALANCEX系列工業交換機性能完全達到了能源管控系統對交換機的要求，性能穩定，各種通訊協議完備。目前西門子交換機已在裝備制造業、冶金行業、大型化工行業能源系統中成功應用，是能源管控系統數據采集模塊可靠的網絡通訊保障。