基于工控网络的地铁BAS控制网络系统的研析

有的传输速度高、兼容性好、开放性高、管理方便、成本低廉、能耗低和便于安装等优点；能实现工控网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络，符合全开放、一体化的工控网络必然发展趋势；综合采用快速交换（Fast Switch）、虚拟局域网（VLAN）、服务质量（QOS）和增大宽带等技术及手段，保证数据传输实时、可靠；对于不同工业现场环境，采取了专门抗干扰措施，能适应恶劣工作条件；众多主流设备生产商提供了各类密封性好、坚固、抗震动的设备与连接件，基本解决了本质安全问题。现场总线网络是全数字化、全分散、可互操作、开放式的互联网络，专门用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互联。与工业以太网相比，其实时性、可靠性、安全性仍有优势，系统在现场控制级选用了现场总线。

3.2 网络冗余

为充分保证高可用性，系统在主干网采用了双环冗余技术，并在双环配对网络交换机间建立了环间冗余链接（在一路环网通道发生故障时，可自动切换到另外一条环网通道）。与单环冗余相比，双环冗余既提供传输介质的冗余，也提供网络设备的冗余，可在传输介质、网络设备和网络连接器（网卡）同时出现单点故障时实时自愈故障，是完全冗余系统。

系统采用Supreme-Ring协议作为网络冗余协议。Supreme-Ring协议是工业以太网使用的环网冗余协议，它定义HELLO数据交换包（也称WD包，Watch Dog Packets）在交换机间交换链路信息。在初始状态，各交换机不启动转发功能，而先由人工指定主交换机（Local），一个冗余环网里只能有一个主交换机。主交换机指定后，所有端口都以阻塞方式启动（处于阻塞状态的端口不转发数据帧，但可接受HELLO包），主交换机选择最低COST值的端口作为主链路，另一条COST值高的端口作为备份链路。备份链路不转发数据，只接收和处理HELLO包，处于热备状态（不转发数据帧，但学习MAC地址表，在主链路故障时，在300ms之内，立刻进入转发状态），从交换机（Remote）没有主链路和备份链路的区别。主交换机定期发送配置信息，这种配置信息被所有从交换机转发，主交换机动态选择主链路和备份链路，以消除回路，一旦网络结构发生变化，网络状态将重新配置。Supreme-Ring协议是简洁高效的冗余协议，能够保证环网在链路故障时，在300ms内恢复网络通信。

3.3 网络管理

网络管理，主要体现在网管系统、虚拟局域网（VLAN）和服务质量（QOS）三个方面。

在运营控制中心（OCC）配有网络管理系统（NMS），用于配置、监视和管理整个地铁各系统的网络系统，BAS控制网络系统的管理是其一项重要功能。NMS基于SNMP协议，由网管软件和监控软件组成；网管软件主要完成交换机的监视和配置功能，监控软件负责除交换机之外的其他设备（如操作站、服务器、控制器和UPS等）的监视功能；网管软件和监控软件配合工作，在OCC网管工作站即可完成整个BAS控制网络系统的实时监控。NMS可记录网络系统历史数据并进行统计分析，为网络的优化调整提供参考。

系统管理员将不同地理位置（运营控制中心和各车站）的终端根据级别、用途和管理需要划入不同的虚拟局域网（VLAN），VLAN技术遵循IEEE802.1Q标准，同一虚拟网的用户能正常通信，不同虚拟网之间只能在核心交换机的路由模块控制下交换信息。通过划分VLAN，带来的好处是：有效控制了网络广播信息的传播，减轻了网络负担，同一虚拟网的用户可更高效通信；不同VLAN之间可以在路由模块配置访问控制策略，避免非法访问，提高网络安全性；与网络管理系统（NMS）结合使用，网络管理员可更有效管理网络，包括监视网络流量、控制流量分流和设置安全级别等。

服务质量（QOS）主要解决系统实时性问题。QOS的基本思想在于，为实时业务保留一定专用带宽，从而把数据的丢包率、延时、吞吐量和拥塞控制在可接受范围内。QOS技术要点有二：对数据实施进入控制（Connect Admission Control）和流量调整（Traffic Shaping）；在数据进入网络前，估算数据对整个网络影响。

4 应用实践

在近年新建成开通的地铁项目中，如广州地铁三号线、广州地铁四号线、深圳地铁一号线和南京地铁一号线等，其BAS网络控制系统总体上与本文所介绍的基本相同。由于各线路的实际情况，在现场控制级略有差异，主要体现在现场总线协议选择和应用范围上，如广州三号线，在现场控制级仍保留了部分模拟量和开关量控制项目。在实际运营中，各线路BAS网络控制系统均运行正常，满足使用要求。

由以上分析可以得出，基于工控网络的地铁BAS网络控制系统本质上是高可靠性、高安