工控環境下的網絡架構

工控環境下的網絡架構

1 引言

計算機技術的高速發展，帶動了工業自動化的快速發展。迄今為止，工業控制中利用計算機采集和監控數據變得越來越重要，遍布整個工廠的現場設備通過集成化智能IO單元進行數據采樣，采樣到的實時生產數據通過控制網絡一方面供給操作人員進行工藝參數監控和調配，另一方面通過管理網絡向工廠管理者提供數據比對和決策分析。如此地理分散的數據能得以集中監視和準確控制，必須依賴可靠穩定的網絡結構，因此構建適合工業現場復雜環境的穩定網絡顯得尤為重要，通常采用的工控網絡系統架構。

當前工控系統典型的三層式網絡架構，第一層為設備層網絡(Devicenet)，第二層為控制層網絡(Contro1)，第三層為管理層網絡(Management)。網絡層級不同，完成的功能以及網絡節點不盡相同， 網絡節點就是在整個網絡架構中的一個物理設備， 如現場儀表、10單元、交換機、防火墻、各種控制器(FCS、FDAS、DCS、PLC)、服務器、操作站等都是網絡節點。

2 各層級網絡釋義

2.1 設備層網絡

第一層網絡為設備層網絡：該層網絡通常包含現場控制站如DCS、FCS、PLC、FDAS等，現場控制站通過集成化的10單元直接連接現場設備如：流量計、壓力變送器、溫度變送器、熱電阻、熱電偶、調節閥、電動機等。物理接口通常為開放的的智能IO單元或現場總線如FF—BUS(基金會現場總線)、CAN—BUS(控制器局域網絡總線)，通訊協議通常為PROFIBUS—DP、MODBUS、HART等，該層網絡直接采集現場數據到現場控制站FCS或DCS或PLC控制系統。從而完成整個工控網絡架構中的基本數據采集，是上級網絡能夠正確下發控制指令、進行生產調度的重要數據源。

為保證數據采集精確可靠，該層網絡通常采用兩重冗余的控制器和雙網甚至四網的物理容錯方式，同時控制器內置智能故障處理機制，即只要通鏈路發生網絡故障如數據流擁堵、網卡故障、網線故障， 控制器就可智能切換到備用通訊鏈路，確保數據采集不因網絡節點故障而中斷。

2.2 控制層網絡

第二層網絡為控制網： 該層網絡通常包含了工程師站ENS、服務器／操作員站SERVER／OPS以及交換機Exchanger和現場控制系統DCS、FCS、PLC等。工控網絡作為一個整體，不能拆分理解，因此各層網絡設備一定有所重疊，如現場控制站既是第一層網絡設備又是第二層網絡設備，同樣如交換機、防火墻等歸屬情形也是類似。

該層網絡設備中服務器負責接受來自現場控制系統的數據并下發給操作站，操作員根據數據信息實時監控現場工況，及時調整工藝參數并通過服務器傳遞控制指令到控制系統如DCS或PLC等，這樣確保操作員能根據現場實時采集的數據進行生產工況調整 本層網絡通訊協議一般為TCP／IP協議，網絡結構物理冗余，即通過2個交換機實現2個網段4條以太網通訊鏈路。

其實現方法為首先定義交換機A對應控制層網段如i30．0．0．X對應設備層網段為128．0．0．X，交換機B對應控制層網段為13i.0．0．x對應設備層網段為129．0．0．X，這樣定義后在第一和第二層網絡間分別有2個網段，物理上形成4條以太網鏈路。

設備層控制系統~nDCS、PLC、FCS、FDAS等一般為每個網段2個物理網卡，即128網段2個網卡，2條以太網鏈路；129網段2個網卡，2條以太網鏈路。控制層設備如工程師站、服務器、操作員站在中小規模網絡中一般每個網段配置1個網卡，即130網段對應1個網卡，1條以太網鏈路；131網段對應1個網卡，1條以太網鏈路。

這樣對于控制層就只有2條物理鏈路，因此需要通過IP軟綁定來實現4條物理鏈路。具體方法為在服務器和工程師站的IP屬性中通過“高級TCP／IP設置”項對每個網段進行一個軟綁定，即l30網段綁定128網段，l31網段綁定l29網段，這樣對于物理上只有2個網卡的工程師站、服務器等同樣實現了邏輯上的4條以太網鏈路，這是本文所述的中小規模工控環境下雙網卡實現4條冗余網絡鏈路的技術關鍵，在當前主流控制系統廠商中廣為使用，典型的如和利時公司的網絡架構。當然了如果是大型工控網絡，在硬件配置上網絡節點不會如本文所述方法實現以太網鏈路冗余。

在大型裝置和極其重要的工控環境下，工程師站、服務器等主要網絡節點會相應增加網卡配置即每個節點配置4個網卡，每個網卡對應一個網段從而實現物理上條物理以太網鏈路 這樣的配置下交換機也會增加到4個，4個交換機分別設定網段為128、129、130、131網段，形成真正意義上的4條以太網物理鏈路。節點4網卡和4個交換機的網絡配置在常規項目實施中并不多見，實現方法本文不再贅述。

2.3 管理層網絡

第三層網絡為管理網： 作為工廠信息管理系統 3的傳輸網絡， 該層網絡通常由各種功能的計算機構成， 網絡層級連設備增加了防火墻， 目的是通過防火墻把工控網絡同外部管理

網絡隔離開來， 防止外部網絡對生產工況造成不必要的外部干擾。如病毒攻擊、木馬侵入、人員誤操等外部不利因素。該層網絡物理接口通常為OPC接口、MOXA卡串口或以太網RJ45口， 通訊協議通常為TCP／IP協議或OPC協議或MODUBUS協議，取決于各功能計算機的管理軟件。

該層網絡常見功能如辦公自動化OA、企業資源配置ERP、生產制造執行系統MES等，根據所需功能配置相應的管理軟件，每個軟件有不同的通訊協議，對應不同的物理接r1。通過開放式通訊協議該層網絡從控制網絡采集生產數據， 并通過軟件自身的功能模塊進行數據分析對比，最終形成輔助工廠管理的決策數據。

軟件通常包含的功能塊圍繞工廠的人、機、料、法、環生產要素進行配置， 從人力資源、機具配置、材料倉儲等角度對控制網絡采集到的生產數據進行分類處理最終形成工廠管理方法和決策數據。

3 結論

三層網絡架構廣泛應用于中小企業工廠的工控環境， 各層級網絡采用不同的開放式通訊協議和物理接口，使得網絡互連成為可能。中小規模的工控網絡大多采用這種系統網絡架構，其數據傳輸穩定可靠，易于構建和成本低廉。實施重點是網絡規劃和網絡節點選型，突破點在于物理接口受限條件下如何構建多重通訊鏈路的解決方法， 本文詳述了通過設定IP軟綁定，實現了雙網卡下的4網段通訊鏈路設置， 對于實施三層工控網絡架構具有非常重要的指導意義。