工业以太网交换机在石油石化工程建设中的应用

曹双庆 大庆 油田设计院

工业以太网交换机在石油石化工程建设中的应用

曹双庆 大庆 油田设计院

工业以太网交换机是基于以太网技术且应用于工业通信网络的交换机，伴随物联网技术开始广泛应用于石油石化行业。工业以太网交换机以其对特殊应用环境的超强适应能力得到广泛应用，但工业以太网交换机成本高限制了其在行业内的大量应用，针对不同工程，如何合理、灵活利用以太网交换机组网成为通信系统工程设计的重点。目前，两种最常见的工业以太网交换机应用方式是与通用以太网交换机混合组网和与SDH传输设备混合组网。

石油石化；工业以太网交换机；信息化；数字化；物联网；应用

近几年，工业以太网交换机在石油石化行业通信网络建设中的应用越来越广泛，无论是长输管道通信系统，矿区通信系统，还是各种工艺站场内部局域网、工业控制网等，几乎都能见到工业以太网交换机，如何合理利用工业以太网交换机组网成为业界讨论的热门话题。

1 工业以太网交换机简介

工业以太网交换机是基于以太网技术的工业通信网络的基础交换设备，是以太网交换机的一种。除此以外，常见的民用级和企业级以太网交换机统称为通用以太网交换机。与通用以太网交换机相比，工业以太网交换机同样基于IEEE 802.1、802.2、802.3等标准通信协议实现数据交换，因此两者功能有差异但不大，其优势主要在于某些技术指标要优于通用以太网交换机，且多采用模组化、模块化设计，配置灵活，便于安装，最重要的是它能适应多种应用条件，并能满足石油石化行业对数据传输的一些特殊要求。

2 工业以太网交换机应用背景

（1）企业物联网的迅速发展。在早期石油石化企业基础网络建设中，本地通信业务比较单一，多以组成本地办公局域网为主，因此主要采用通用以太网交换机组网；长途通信虽然业务种类较多，但多种通讯协议混传，因此主要采用SDH设备组网。然而，随着电子信息技术的发展以及企业数字化、信息化管理的普及，基于TCP/IP通讯的物联网技术开始广泛应用于石油石化行业。除了传统的企业管理、计算机办公等IP数据以外，大量的语音、视频、工业控制等数据均转变成IP数据。无论是本地通信还是长途通信网络所扮演的角色均逐步向物联网转变，而需要接入IP业务的点数大幅增加，加上工业以太网交换机制造技术的成熟、工业自动控制网络的以太网化、多网合一的物联网建设思路、SDH设备的高成本、通用以太网交换机适应能力有限等一系列因素，均加速了工业以太网交换机在石油石化行业中的应用步伐。

（2）石油石化行业特殊的应用环境。首先，传统的Ethernet并不是为工业应用而设计的，石油石化行业的工况比较特殊，经常需要通信设备在诸如低温、高温、高海拔、高湿、严重电磁干扰、较差供电质量、盐雾、强震等恶劣环境中能够保持正常工作，通用以太网交换机根本不具备这些能力。同时，工业控制网络必须满足某些业务对网络性能的较高要求，比如远控、远动及自控数据回传等均要求网络具有高可靠性、低延迟和零丢包等能力，这些能力亦是通用以太网交换机所不具备的。其次，企业以人为本的发展思路需要使用更健康环保的设备，如通信设备值班室里，常规通信设备风扇产生的噪声严重影响值班人员的身心健康。最后，大量网络设备要求低故障率以降低日常设备维护量。综上所述，面对特殊工况，通用以太网交换机势必被本行业淘汰出局，被更能适应石油石化行业特殊工况的工业以太网交换机替代。

3 工业以太网交换机应用

虽然工业以太网交换机相对于通用以太网交换机具有具大技术优势，但相对于通用交换机其成本较高成为限制其大量应用的主因。在实际工程中，应用环境及通信业务种类、业务量、业务流向等是多变的，既要实现网络系统功能，满足特殊应用要求，同时又要兼顾系统综合造价，提高系统性价比，因此，针对不同工程如何合理、灵活利用以太网交换机组网才是通信系统工程设计的重点。目前石油石化行业中，两种最常见的工业以太网交换机应用方式是与通用以太网交换机混合组网和与SDH传输设备混合组网。以下通过两个工程案例，分析石油石化行业中常见的工业以太网交换机应用方式。

3.1 代替通用以太网交换机

案例：某燃料油调和配送中心项目。该项目建设地点位于一个海岛上，主要由重柴油罐区、燃料油罐区、重油罐区、办公区、35／6 kV变电所、水处理区、消防站、码头等构成，厂区通信系统将做为工业电视监控、视频周界、电话软交换、SCADA数据传输、计算机办公等系统的支撑网络。整个厂区组网最大的难点是IP业务接入点位置比较分散，如果采用常规级联方式组网，网络结构势必混乱而没有层次，将大大增加厂区布线量及日常维护管理难度。而工业控制网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，同时由于建设地点位于海岛之上，对设备防盐雾、防潮性能提出特殊要求。最终，本项目厂区通信系统采用了如图1所示的组网方案。

图1 厂区通信系统组网方案

该网络分为办公及生产网两部分。办公网采用通用以太网交换机组网并延续星型级联结构；生产网则采用工业以太网交换机组网并以环形结构为主，辅以链型、星型结构。生产网与办公网之间设防火墙以保障生产网络安全。物联网具有感知层、网络层、应用层的3层体系结构，参照此种网络结构进行详细设计时，首先要把握重点业务的要求，即对于需要接入SCADA数据的节点必须在环形结构内，以保证SCADA数据传输的安全可靠，其他业务由于对数据传输的可靠性要求不高，接入时根据实际情况可置于环网结构之中，亦可以星形就近接入附近环网节点。同时利用二层VLAN划分可将SCADA数据传输与视频监控等其他系统业务数据进行通道隔离。由于现场工业以太网交换机数量较多，宜采用网管型设备组网，投产后可利用网管系统简化及降低网管难度。总之，该方案简化了布线结构、减少了布线量、降低了日常维护管理的难度，使环网节点数量可控，同时也有效控制了网络建设成本。

3.2 代替部分SDH设备组网

案例：某天然气管道建设项目。该项目建设地点位于新疆南部，由4条干线、19条支线构成，管道全长2 000多公里，全线共设置38座工艺站场、69座线路阀室。管道通信系统将作为工业电视监控、电话软交换、SCADA数据传输、视频会议、计算机办公等系统的支撑网络。该系统组网最大的难点是通信距离长，业务接入节点数量多，业务接入种类不均衡，如果参照以往设计，接入层全部采用SDH设备，对于业务接入种类单一且业务量小的节点势必造成浪费，系统造价势必大大增加，系统性价比大打折扣。同时，由于管道地处南疆沙漠地区，对设备防尘、抗高温有特殊的要求。最终，管道通信系统采用了如图2所示的SDH传输与工业以太网交换机混合组网的结构。

图2SDH传输设备与工业以太网交换机混合组网方案

该网络主干传输层采用基于MSTP的SDH设备组成，传输节点设在主要工艺站场，负责站场数据的集中接入及远程传输；接入层则采用工业以太网交换机组网并以链形结构为主（实际上接口按环网配置）。参照此种网络结构进行详细设计时需要注意以下几方面：首先，工业以太网交换机的环网检测机制要采用类似于点对点握手的检测机制才能实现此种网络结构的环网保护；其次，如果阀室与工艺站场之间有业务数据交换（如视频监控数据），SDH设备的以太网板应具有交换功能；最后，如果阀室SCADA数据需要独立传输通道，可利用二层VLAN划分实现与视频监控数据隔离。与传统全SDH设备组网方案相比，该方案在保证网络远程传输可靠性和安全性的同时，降低了成本，就目前市场价格来看，单个阀室可减少设备成本10万以上，单个工艺站可减少板卡成本6万以上，整个项目至少可减少成本900万，提高了网络系统性价比。

4 结语

由于工业以太网交换机采用TCP/IP通信协议，因此可以与多种具有以太网接口的网络设备灵活组网。但工业以太网交换机毕竟是基于分组和帧交换技术进行存储转发的网络设备，即使其最大传输速率可达到万兆甚至更高，其最基本工作原理使其在数据传输保密性、安全性、可靠性方面有着先天的缺陷，因此，对于本行业来说，采用工业以太网交换机组建传输网络的主干层时应该慎重考虑。就拿管道项目来说，部分接入层采用100/1 000工业以太网交换机代替STM—1/STM—4速率级别的SDH设备，无论是接入层还是主干层，当有多种远动、远控及保密业务需远程混传时，恰恰就不适合采用以太网交换机。某些设计人员经常因为所有业务数据是IP类型的，就全盘采用以太网交换机，而忽略了业务自身特殊需求。毕竟传输网络最终是为业务数据传输服务的，因此采用工业以太网交换机组网时，对于不同的应用环境、不同的业务需求和业务量、不同工艺条件、不同的管理要求等应有所变化，只有充分理解各种需求，把握住设计重点，才能最大限度地发挥工业以太网交换机的作用，提高系统性价比。

（栏目主持李艳秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.003