1 四种网络拓扑
在信息化浪潮席卷全球和全球经济一体化的今天，市场竞争更加激烈，利用先进的信息技术建立企业生产信息一体化管理是企业获得竞争优势的必要手段，企业管理要达到国际先进水平，实现企业信息一体化管理是一条必由之路。网络是信息流动的通路，网络拓扑结构的合理性决定了信息流动是否顺畅，也决定了系统的成本。表1是工程上经常应用的四种网络结构的性能比较。
不同的拓扑结构带来不同的性能和成本，合理选择拓扑结构，是控制系统设计的一个重要课题。本文以某焦化工程为例，探讨复杂控制系统网络拓扑的设计。
2 焦化工程集控系统网络
高温炼焦是煤综合利用的重要途径，也是冶金工业的重要组成成分。所谓高温炼焦，就是煤在隔绝空气加热到950-1050℃，经过干燥、热解、熔融、黏结、固化、收缩等过程最终得到焦炭。
炼焦工艺流程是：由备煤车间送来的配合煤装入煤塔，装煤车按作业计划从煤塔取煤，经计量后装入炭化室内。煤料在炭化室内经过一个结焦周期的高温干馏制成焦炭，再经过熄焦和筛焦按级别贮存待运。煤在炭化室干馏过程中产生的荒煤气被冷却，在煤气净化车间经过各种加工最后得到净煤气和各种副产品。
炼焦生产控制系统主要由八个子系统组成，分别是备煤、炼焦、焦处理、煤气净化、圆形料场、焦炉除尘、筛焦除尘以及鼓风机系统。
这8个系统实现分散控制集中管理的模式进行监控，可以监控厂区内任何一个角落。图1为系统网络。
3网络规划原则
可靠的网络必须具有三个典型特点：有效地传输流量、提供冗余和故障恢复能力。
冗余设计是提高产品安全性，减少因为偶然误差或用户使用不当而破坏产品功能可能性的重要手段，图1焦化工程网络规划原则是：
①有冗余控制器的系统采用双环或双星
②重要的非冗余系统采用双星网
③非冗余控制器采用单环网，再偶合到整个系统
3．1 双环形
备煤、炼焦dcs和焦处理系统都是双CPU冗余系统[1]（CPU冗余，控制网介质冗余，电源冗余），设计成双光纤环网，从每个环上的二个接点分别连接到中控室的两台二层交换机CC01-SWA和CC01-SWB。运行时允许底层交换机网线、交换机和内/外光纤环网同时产生故障。是工业上最高等级的冗余控制系统。保证数据在网络上能够安全、实时的传输。在此双环上的交换机必须是可网管交换机。
3．2 单环形
圆形料场、焦炉除尘、筛焦除尘、空压站、焦炉装煤、硫氨包装称以及煤气鼓风机系统是单CPU控制系统，它们组成单环网并分别连接到中控室的二层交换机CC01-SWA和CC01-SWB，运行时允许环网有一点断路，可以保证数据安全快速到达。在此单环上的交换机必须是可网管交换机。
3．3 双星形
煤气净化系统配置两套互为冗余控制器，并且控制器放在中控室的机柜间，考虑到该系统的重要性，直接采用双星电口分别连接到中控室的二层交换机CC01-SWA和CC01-SWB；酚氰废水系统采用双星网络分别连接到中控室的两台二层交换机CC01-SWA和CC01-SWB；在此双星网上的交换机必须是可网管交换机。
3．4 单星形
自动配煤、煤称重、制冷站等系统从工艺的角度上看都是独立的控制系统，这两个系统提供OPC接口，将此系统通过光纤以单星的方式接入三层交换机CC01-MSWA和CC01-MSWB。
4 交换机配置[2]
工业场合应该采用工业以太网交换机，普通交换机在抗干扰性能、电磁兼容性、可靠性、可用性、BTBF（平均无故障时间）等方面不能完全适用工业环境的要求，且不能构成高速冗余环网的连接方式。
图1网络有四层交换机：
（1）设备层交换机：RS20-0900MMM2SDAP可网管一体化交换机：3个100M多模光口，6个RJ45电口；
（2）二层交换机：CC01-SWA，CC01-SWB：MACH4002-48+4G-L3PHC；1-100M单模光口，7-100M多模光口，40-RJ45电口，支持三层路由；HIPER Ring双环网结构；
（3）三层交换机：CC01-MSWA，CC01-MSWB；交换机聚合；
（4）核心交换机：CC01-MSW：MACH4002-48+4G-L3PHC；4-100M多模光口，44-RJ45电口，支持三层路由；交换机聚合；
软件采用赫斯曼专用网管软件：HiVision PC Base Enterprise MACH4002系列产品许可证和Ind. HiVision-Operator Ed.50 Nodes（操作员版）
5 网络安全预案
对重要系统采用的单环、双环、双星等冗余设计，网络的安全性基本上得到保证。但也可能发生一些可预见的故障，通过在网络中配置的网络管理软件可以实时监视网络中所有设备、网络端口、网络链路的状态，通过定期检查这些状态，可以保证及时发现故障，及时排除故障。可预见网络故障共有21种，编码见表2：表2
今以双环结构故障F12，F13，F14，F15为例进行说明（见图2、表3）。
6 快速生成树RSTP
交换网络冗余设计，会产生广播风暴、网络环路等问题，严重时将导致整个网络瘫痪。
解决循环连接的方法是生成树STP，作用原理是：STP采取网络环路侦测和预防（Network loop detection and prevention）措施，以确保任何两个局域网之间只有一条路径，如果存在着多于一条的路径，那么生成树算法将会侦测到环路的发生，并自动选择开销值（Cost）最低的那条路径作为可使用的路径（主链路），而阻断其他路径，将它们作为备用路径（备用链路）。STP生成树从阻断到转发状态需要经过阻断、监听、学习、转发延迟等阶段，这个阶段大约需要30～50s的时间，对于要求高可靠性的网络来，这是不允许的。
为了满足关键任务（如语音和视频）对融合时间的要求，产生了快速生成树协议（RSTP）IEEE 802.1W。RSTP将阻断的端口设置为备用端口，一旦检测到主链路中断，备用端口直接进入转发状态，大大加大收敛速度，使环形拓扑结构融合时间缩短到500ms以下。
7 结束语
一个可靠的集控系统，需要妥善处理网络系统的可靠性和网络系统的成本问题，为此需要根据各个子系统在整个系统中的地位，选择合理的网络拓扑结构，正确选择交换机，并做好网络安全预案。
文章来源：中国传动网