姜玉春

(山東鋼鐵集團(tuán) 萊鋼自動(dòng)化部，山東 萊蕪271104)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的宏觀調(diào)控，鋼鐵企業(yè)已經(jīng)由過(guò)去的落后的生產(chǎn)方式向新型高效的自動(dòng)化方向邁進(jìn)。自動(dòng)化水平已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展的重要保證。建立一個(gè)穩(wěn)定，高效的信息傳輸平臺(tái)對(duì)鋼鐵企業(yè)的建設(shè)具有重大的戰(zhàn)略意義。我國(guó)冶金行業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)也早已由單主機(jī)形式發(fā)展到現(xiàn)在的高度網(wǎng)絡(luò)化和集成化的階段。要求各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息可以無(wú)縫的對(duì)接到中央管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程管理和共享，這極大的提高了鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)效率和安全系數(shù)。但由于工業(yè)冶煉現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、用電設(shè)備的特殊性，使得信息傳輸?shù)臅r(shí)效性必須得到有效的保證。因此，設(shè)計(jì)一套基于新型、高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)勢(shì)在必行。本文即設(shè)計(jì)了一種基于GEPON網(wǎng)絡(luò)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的平臺(tái)。

1 鋼鐵廠供配電系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.1 用電負(fù)荷高，穩(wěn)定性要求高

鋼鐵廠的很多生產(chǎn)設(shè)備以及供配電設(shè)備，都具有高負(fù)荷、持續(xù)作業(yè)等特點(diǎn),如果由于供配電管理不善導(dǎo)致電壓突變或斷電的發(fā)生,會(huì)影響到設(shè)備的使用甚至正常的生產(chǎn)。而且很多電力器件如IGBT是一種很敏感的壓控器件,開(kāi)通和關(guān)斷都需要一段時(shí)間才能完成，如果命令發(fā)出不及時(shí)就會(huì)造成被控設(shè)備的誤動(dòng)作。因此,鋼鐵廠的供配電系統(tǒng)必須具有足夠的穩(wěn)定性,才能有效保障企業(yè)正常生產(chǎn)。

1.2 用電設(shè)備為高壓，高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)

鋼鐵廠中用電設(shè)備較多，不僅有高電壓，大功率的生產(chǎn)設(shè)備,還有如照明、空調(diào)的辦公設(shè)備。因此,鋼鐵廠的供電電壓需要根據(jù)不同的用電設(shè)備劃分成多個(gè)等級(jí)，這就要求有一個(gè)復(fù)雜的供配電系統(tǒng)用以保證各系統(tǒng)的正常運(yùn)行。并且不同的供電設(shè)備其保護(hù)裝置的方式、方法不盡相同。而且各種功能都需要依靠計(jì)算機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.3 供配電設(shè)備與其他設(shè)備聯(lián)系密切

由于鋼鐵企業(yè)供配電設(shè)備為保證設(shè)備的正常運(yùn)行的大多使用了DCS系統(tǒng)。供配電系統(tǒng)和能源系統(tǒng)以及變電所之間也有密切聯(lián)系。而且鋼鐵廠很多如電力變壓器等供電設(shè)備都連接著DCS系統(tǒng),而這些設(shè)備都具備遙控、閉鎖、通訊、保護(hù)、邏輯等操作功能。因此，供電系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備有密切關(guān)系,供配電系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)傳送系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)到集控系統(tǒng)中,以供分析、控制。

2 方案的選擇

2.1 方案的比較

當(dāng)前，我國(guó)鋼鐵冶金行業(yè)配電網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)主要有兩種:基于工業(yè)以太網(wǎng)信息傳輸系統(tǒng)和基于GEPON的傳輸系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用GEPON(Gigabit Ethernet passive optical Network，千兆無(wú)源光纖以太網(wǎng))技術(shù)。

工業(yè)用GEPON針對(duì)環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有很多優(yōu)良特性：實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)到多點(diǎn)的傳輸、帶寬較大且可動(dòng)態(tài)分配解決了帶寬瓶頸問(wèn)題，設(shè)備采用無(wú)源器件使得系統(tǒng)工作穩(wěn)定,易于安裝維護(hù),故障率低，同時(shí)平臺(tái)建設(shè)成本低、組網(wǎng)靈活,易于擴(kuò)展,數(shù)據(jù)可以通過(guò)工業(yè)太網(wǎng)技術(shù)傳輸,適合于綜合傳輸視頻、數(shù)據(jù)等信息,適合作為綜合信息系統(tǒng)的高速主干傳輸平臺(tái)。

2.2 GEPON網(wǎng)絡(luò)的組成

GEPON網(wǎng)絡(luò)主要由OLT（光線路終端）、POS（無(wú)緣分光器）和ONU（網(wǎng)絡(luò)終端）組成：

OLT：OLT是GEPON系統(tǒng)的核心設(shè)備，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)OLT負(fù)責(zé)發(fā)起對(duì)光分配網(wǎng)絡(luò)接口和ONU的注冊(cè)和控制測(cè)距，并記錄相關(guān)信息。而后對(duì)每個(gè)注冊(cè)的ONU分配帶寬；系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，在下行方向上將集控中心的指令發(fā)送到下層的ONU并最終送至各底層用電設(shè)備。在上行方向各ONU數(shù)據(jù)經(jīng)TDMA技術(shù)通過(guò)OLT將信息傳入到中央控制室。

POS：POS是連接OLT和ONU的橋梁，負(fù)責(zé)GEPON系統(tǒng)中光功率的分配。通常情況下POS的分線率為2、4、8、16且各POS間可以進(jìn)行級(jí)聯(lián)以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需要。

ONU：它負(fù)責(zé)將各個(gè)底層用電設(shè)備接入到傳輸平臺(tái)中，并與上層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換，使各信息快速穩(wěn)定的在系統(tǒng)中進(jìn)行傳遞。在下行方向上ONU的主要作用是接收OLT發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)的；在上行方向?qū)⒃O(shè)備所報(bào)送的數(shù)據(jù)在OLT分配的發(fā)送窗口中發(fā)送。

2.3 工作原理

GEPON遵循IEEE802.3協(xié)議，每次可傳送1518字節(jié)的信息。GEPON網(wǎng)絡(luò)在上行與下行方向上信息傳輸過(guò)程有較大的不同：

如圖1所示：

圖1 GEPON網(wǎng)絡(luò)的傳輸流程圖Fig.1 The transmission process of GEPON network

下行方向，數(shù)據(jù)傳輸波長(zhǎng)為1490nm。在傳輸過(guò)程中OLT會(huì)將允許接入的時(shí)間等信息在各個(gè)端口上進(jìn)行廣播。同時(shí)為每個(gè)ONU分配一個(gè)單獨(dú)鏈路地址，用以將其去其他ONU進(jìn)行區(qū)分。在由上至下的過(guò)程中數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送，其最大長(zhǎng)度為1518個(gè)字節(jié)，每個(gè)數(shù)據(jù)包的前面會(huì)標(biāo)識(shí)目的ONU的地址。此外，ONU只會(huì)接受標(biāo)識(shí)為自身的信息而將其他信息忽略。

上行方向，所有ONU共享上傳帶寬,并采用1310nm波長(zhǎng)。在ONU注冊(cè)成功之后，OLT會(huì)采用動(dòng)態(tài)帶寬分配（DBA）通過(guò)特定的算法為每個(gè)ONU動(dòng)態(tài)分配上行帶寬。而且GEPON系統(tǒng)采用TDMA技術(shù)將多個(gè)ONU的數(shù)據(jù)組織成一個(gè)信息流傳送至OLT中以確保數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中ONU發(fā)送數(shù)據(jù)不發(fā)生沖突。這樣可以保證數(shù)據(jù)在上行過(guò)程中穩(wěn)定高效的傳輸。

2.4 GEPON組網(wǎng)方式

GEPON網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)，可以將各種基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行有機(jī)的整合以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的組網(wǎng)要求。在GEPON中基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有環(huán)形、總線型、星形。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況以最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為原則來(lái)選擇具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這可以利用分光器的不同分光比實(shí)現(xiàn)。在工程應(yīng)用一般會(huì)選擇兩種或以上的組合形式。使搭建的網(wǎng)路具有冗余安全，高效穩(wěn)定的特性。

其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2、圖3、圖4所示。

3 GEPON網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

圖2 樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)Fig.2 tree network

圖3 星形網(wǎng)絡(luò)Fig.3 start-type network

圖4 總線型網(wǎng)絡(luò)Fig.4 bus network

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)GEPON網(wǎng)絡(luò)可以將分散在各子系統(tǒng)中的的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)以最高可達(dá)1000M/s的傳輸速度通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行?，?shí)現(xiàn)信息的集中管理和共享。其傳輸速度和質(zhì)量均滿足鋼鐵廠自動(dòng)化系統(tǒng)的傳輸要求。而且GEPON網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得光纖鏈路上的損壞點(diǎn)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體產(chǎn)生重大的影響。

由于鋼鐵企業(yè)配電系統(tǒng)覆蓋地域廣、涉及到的子系統(tǒng)較多，顧本次設(shè)計(jì)擬采用雙環(huán)回路進(jìn)行GEPON網(wǎng)絡(luò)的搭建，以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)、圖像等信息的傳輸穩(wěn)定、高效。

如圖5為礦山綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

3.1.1 ONU的布置

ONU將各子系統(tǒng)信息接入到傳輸平臺(tái)中。它主要配布置于測(cè)控裝置，變壓器等重要場(chǎng)所，以便于信息及時(shí)傳輸和保護(hù)設(shè)備的穩(wěn)定的運(yùn)行。同時(shí)將各子系統(tǒng)和數(shù)字工業(yè)電視系統(tǒng)、語(yǔ)音系統(tǒng)傳輸?shù)郊刂行慕y(tǒng)一調(diào)度監(jiān)測(cè)。

3.1.2 OLT的布置

OLT是GEPON網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，應(yīng)將OLT布置于中心機(jī)房?jī)?nèi)。而且為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本設(shè)計(jì)擬采用2臺(tái)OLT形成1：1的冗余備份，并OLT之間使用設(shè)備冗余器進(jìn)行協(xié)調(diào)切換，當(dāng)一個(gè)OLT工作出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸情況進(jìn)行設(shè)備切換，以保證網(wǎng)絡(luò)不間斷工作，使重要數(shù)據(jù)不致丟失。

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)的管理

系統(tǒng)通過(guò)串口服務(wù)器對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。使網(wǎng)絡(luò)具備自動(dòng)模式和手動(dòng)模式可在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)使用自動(dòng)模式而在維護(hù)和檢修以及需要擴(kuò)展時(shí)進(jìn)入手動(dòng)模式，而不影響正常的網(wǎng)絡(luò)功能，網(wǎng)絡(luò)還備有冗余以太網(wǎng)和串行傳輸接口，用于對(duì)系統(tǒng)升級(jí)。

圖5 鋼鐵廠配電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The architecture of the integrated automation system of distribution diagram of steel factory

3.2 軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

3.2.1 軟件系統(tǒng)的集成

軟件平臺(tái)建設(shè)是綜合自動(dòng)化系統(tǒng)集成的重要內(nèi)容，它可以保證不同系統(tǒng)信息能夠在一個(gè)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上進(jìn)行聯(lián)通與共享，使各系統(tǒng)協(xié)調(diào)有序運(yùn)行。而且用戶還可基于此平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

該平臺(tái)的建設(shè)采用了SCADA軟件，基于OPC等軟件接口技術(shù)搭建統(tǒng)一的軟件監(jiān)控平臺(tái)。通過(guò)軟件平臺(tái)的集成，將上位機(jī)的界面整合開(kāi)發(fā)為一套綜合的HMI，可以在每個(gè)子系統(tǒng)之間進(jìn)行切換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供配電狀況進(jìn)行集中分析、協(xié)調(diào)運(yùn)作。有權(quán)限的用戶可以通過(guò)調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)同時(shí)查看相應(yīng)的視頻監(jiān)控，以便能更好的監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行和統(tǒng)籌安排生產(chǎn)調(diào)度。

最后為統(tǒng)一調(diào)度指揮生產(chǎn)，系統(tǒng)還可以將所采集、處理得到的數(shù)據(jù)發(fā)布的Internet上供有權(quán)限的用戶進(jìn)行查詢和管理。而且充分考慮系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全性，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的身份認(rèn)證機(jī)制、完善的日志、數(shù)據(jù)備份和病毒防護(hù)等功能。

圖6為系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖。

圖6 軟件架構(gòu)圖Fig.6 Software architecture diagram

3.3 子系統(tǒng)的接入

3.3.1 視頻系統(tǒng)的接入

目前數(shù)字視頻系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用使得圖像傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性有了很大的提高；其次，數(shù)字視頻可借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，節(jié)省了建設(shè)的成本；使得系統(tǒng)的升級(jí)也更加的方便。根據(jù)鋼鐵廠的實(shí)際安裝要求可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況將視頻攝像設(shè)備就近接入ONU中進(jìn)行信息的傳輸。

3.3.2 數(shù)據(jù)設(shè)備的接入

將變壓器、電力測(cè)控設(shè)備的信息經(jīng)接入GEPON網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，并對(duì)相應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)在綜合處理平臺(tái)上進(jìn)行保存和處理。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于GEPON接入技術(shù)設(shè)計(jì)了一套鋼鐵廠配電自動(dòng)化系統(tǒng)。GEPON系統(tǒng)采用以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)還可以與地面的互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行無(wú)縫的對(duì)接，形成一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)而不需要進(jìn)行格式間的轉(zhuǎn)換。這樣提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和管理的成本?？梢院芎玫募筛鱾€(gè)子系統(tǒng)，從而可以更好的提高通信的速度和傳輸?shù)姆€(wěn)定性還可以達(dá)到節(jié)省傳輸線路鋪設(shè)和維護(hù)費(fèi)用的目的。

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