浅谈以太网产品应用于风力发电控制传输系统

　　项目背景：

　　随着风力发电场的大量建设，风场信息化管理系统，风机远程监控系统也大量应用。这些系统应用环境恶劣，需要管理型宽温工业以太网交换机进行网络支持。近期国内一大型风机整机制造企业选择了研华EKI系列工业以太网交换机作为其风场管理系统的主干网交换机。以太网交换机应用为普遍，价格也较便宜。档次齐全。因此，应用领域非常广泛，在大大小小的局域网都可以见到它们的踪影。以太网交换机通常都有几个到几十个端口。实质上就是一个多端口的网桥。另外，它的端口速率可以不同，工作方式也可以不同，如可以提供10M、100M的带宽、提供半双工、全双工、自适应的工作方式等。

　　系统需求：

　　网络交换机的需求 ：

　　1、风电应用环境恶劣，昼夜温差大，风沙严重，要求工作温度：-45～75℃ 存储温度：-45～85℃ ，存储湿度：0%～95%，无凝结。

　　2、电机控制系统电磁环境恶劣，需要工业交换机具有较强的抗电磁干扰能力、较长时间的平均无故障时间。

　　3、为了保障通信的可靠性，要求建立冗余的环网，具有较小的自愈时间。通信网络出故障时，能够平滑的切换到冗余备份线路。

　　4、为了保证远程监控的数据的安全性，交换机需要有全面的网络安全设置。

　　客户经过了全面的考察后终选择了研华的EKI-7554SI 和EKI-4654R作为风场管理系统以及风机远程监控系统网络架构交换机主干设备。

　　每个风机的塔基处安装一台研华的管理型冗余交换机EKI-7554SI，通过单模光纤连接构成一个冗余环网。同时监控中心内部每个环网的EKI-7554SI通过电口连接到研华24口网管型冗余千兆以太网交换机EKI-4654R。监控中心内部服务器，工程师站通过EKI-4654R构成局域网系统。

　　方案分析

　　根据风电行业即有其普遍性也有其特殊性，我们在组网方案中主要考虑以下几个方面：

　　1. 系统设计充分考虑多个业务子系统的系统特点，技术上遵循先进性、实用性与成熟可靠性并重的原则，形成一整套功能齐全的组网解决方案

　　2. 能够满足风电场苛刻的物理环境，温度、防尘、电磁兼容性等要求

　　3. 因网络规模庞大，组网方案采用清晰的多层结构，从根本的网络结构设计上简化网络的维护及管理，实现故障点的快速分离及明确，确保系统的稳定运行。

　　4. 组网方案自身必须具备一定的故障排除及快速自愈功能，能够针对设备故障、链路故障进行自我诊断及快速排除，并实时报警。

　　5. 对网络进行人工维护、扩容、或故障修复时应该做到影响化，做到维护及扩容对系统运行无影响；故障修复只对相关网络设备的连接终端有一定的影响。

　　6. 网络设备选择采用具备高实时性和稳定性的工业级设备

　　7. 组网方案必须具备兼容性，能够无缝连接不同厂商的网络设备，具备高性价比。

　　考虑到工业现场对实时性要求，采用的是环网设计理念，避免单条链路故障对网络的影响。

　　研华方案优势

　　研华工业级以太网交换机具有如下优越特性：

　　1、快速冗余

　　研华的工业以太网产品可以组成快速的冗余网络，使用研华独创的X-Ring协议，为您搭建可靠的工业网络，具有超快小于10毫秒的自愈时间。商用的产品也可以组成冗余网络，但需要启动STP协议，这样冗余自余的时间就会达到10～～30秒，以上，所以不能用于工业环境中使用。

　　2、抗强扰-适用于严苛环境

　　研华以太网产品可以工作在严酷的电磁环境中，并且在数据口防雷、快速脉冲群，静电等都有较高的防护等级，而商业使用的产品这一点是不具备的。

　　3、良好的温度特性&安装方式灵活性

　　良好的温度特性，研华的EKI系列交换机是宽温设计的。工作温度：-45～75℃ 存储温度：-45～85℃ ，满足恶劣气象环境下的稳定需求。安装方式更加灵活，工业级产品可支持导轨式安装、面板式安装，堆叠式安装和机柜安装等多种方式。交换机（英文：Switch，意为“开关”）是一种用于电信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。常见的交换机是以太网交换机。其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。作在数据链路层。交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在，广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部MAC地址表中。

　　4、电源优势&安装方式优势

　　电源供电部分是任何产品的根源，所有产品出现故障，其电源故障所占的比率为35%以上。所以工业产品为了避免电源故障造成的麻烦，一般都会选择双电源供电的模式。而且采用直流供电。

　　5、安全优势

　　研华工业以太网交换机采取如下若干措施来保证工业网络的万无一失

　　1）VLAN（虚拟局域网）技术

　　VLAN（Virtual Local Area Network）的中文名为"虚拟局域网"。VLAN是一种将局域网设备从逻辑上划分成一个个网段，从而实现虚拟工作组的新兴数据交换技术。这一新兴技术主要应用于交换机和路由器中，但主流应用还是在交换机之中。但又不是所有交换机都具有此功能，只有VLAN协议的第三层以上交换机才具有此功能，这一点可以查看相应交换机的说明书即可得知。VLAN可能跨越一个或多个交换机，与它们的物理位置无关，设备之间好像在同一个网络间通信一样。VLAN可以在交换机上实现广播域的隔离，它可以把网络分成一个一个独立的区域，可以控制这些区域是否可以通讯。交换技术的发展，也加快了新的交换技术（VLAN）的应用速度。通过将企业网络划分为虚拟网络VLAN网段，可以强化网络管理和网络安全，控制不必要的数据广播。在共享网络中，一个物理的网段就是一个广播域。而在交换网络中，广播域可以是有一组任意选定的第二层网络地址（MAC地址）组成的虚拟网段。

　　2）IP/MAC与端口绑定

　　设置IP/MAC地址与端口的绑定功能，可有限的限制用户的非授权网络访问。

　　3）流量控制功能

　　交换机的流量控制可以预防因为广播数据包、组播数据包及因目的地址错误的单播数据包数据流量过大造成交换机带宽的异常负荷，并可提高系统的整体效能，保持网络安全稳定的运行。

　　另外研华交换机还可针对每个端口提供双向（in/out）分别限制功能。

　　4）ACL（访问控制列表）技术

　　访问控制列表（Access Control List，ACL） 是路由器和交换机接口的指令列表，用来控制端口进出的数据包。ACL适用于所有的被路由协议，如IP、IPX、AppleTalk等。这张表中包含了匹配关系、条件和查询语句，表只是一个框架结构，其目的是为了对某种访问进行控制。研华交换机采用了访问控制列表ACL来实现包过滤防火墙的安全功能，增强安全防范能力。访问控制过滤措施可以基于源/目标IP、TCP/UDP端口等方式实现。而更大程度的保证了网络安全。

　　5）IEEE802.1x身份验证机制

　　IEEE 802协议集的局域网接入控制协议，是基于端口的访问控制协议。它能够在利用IEEE 802局域网优势的基础上提供一种对连接到局域网的用户进行和授权的手段，达到了接受合法用户接入，拒绝非授权用户的访问，保护网络安全的目的。

　　6）QoS机制

　　QoS（Quality of Service）服务质量，是网络的一种安全机制， 是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。 在正常情况下，如果网络只用于特定的无时间限制的应用系统，并不需要QoS，比如Web应用，或E-mail设置等。但是对关键应用和多媒体应用就十分必要。当网络过载或拥塞时，QoS 能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。研华工业以太网交换机采用了IEEE802.p QoS CoS/TOS/DSCP优先级策略，保障了数据关键数据的实时可靠传输。

　　7）SysLog（系统日志）

　　交换机的Syslog 日志功能可以将系统错误、系统配置、状态变化、状态定期等信息传送给日志服务器，网管人员依据这些信息掌握设备的运行状况，及早发现问题，及时进行配置设定和排障，保障网络安全稳定地运行。提供市场上值得信赖的基于 Windows 的 syslog 服务器解决方案之一。这些产品的安装与配置非常简单，提供功能丰富的解决方案来接收、记录、显示并转发各种网络设备（例如路由器、交换机、Unix 主机以及其它启用 syslog 的设备）的 syslog 消息。

　　结论

　　客户在风力发电控制传输系统中，选择研华工业以太网计算机EKI-7554SI 和EKI-4654R，采用环网设计理念，组建局域网系统。

　　在恶劣的应用环境中，克服了温度、湿度等环境的制约，安全运行，环网冗余的网络搭建，保障了通讯的畅通及数据的可靠传输。

　　研华自动化

　　研华自动化成立于1983年，是研华科技个业务单位。致力于借助当今可靠的基于PC的自动化技术将产品的连通性、灵活性和坚固性结合起来。产品线包括：开放式人机界面、工业控制器和自动化软件、嵌入式无风扇工业电脑、工业I/O卡，分布式I/O模块、插入式I/O 和工业通讯解决方案。