智能工廠的工業信息網絡架構設計與實現關鍵要素探究

張宏松

【摘要】通過運用科學技術，從而搭建起一個工業信息網絡，可以有效保障工廠的網絡通信安全以及管理安全?；诖?，本文將從智能工廠的視域入手，將工廠實際的網絡拓撲結構、建設原則、功能需求作為依據，對網絡架構做出合理設計，將智能工廠設計廠區方案提出來，并且給予同工廠實際狀況相符的網絡架構設計方案與通信組網方式。

【關鍵詞】智能工廠;工業信息;網絡架構;設計? ? 【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.36.005

現如今，我國正在迅速研發與推廣工業信息網絡技術，在工業控制方面，已經對網絡性能提出了更高、更嚴格的要求，對于大型智能工廠而言，想要實現集成化的管理與自動化的運行，就必須要采取健全的工業信息網絡架構進行支撐。在生產線視域下，分析并設計工業通信網絡方案的過程中，需要對工業通信網絡中生產線網絡架構所起到的重要價值有深入的分析。在應用工業以太網的案例中，對工業領域中工業以太網技術較為基礎的網絡拓撲、典型應用做出闡述。本文將根據智能工廠所提出的工業信息網絡需求，對生產層與控制層進行深入分析，掌握工控網系統的運行特點。并針對工業信息網絡運行的實時性、穩定性與安全性等現象，提出相關的處理方案。

1 工業信息網絡需求分析及建設原則

1.1 智能工廠信息網絡需求分析

針對于智能工廠的信息網絡而言，主要同現場的企業管理系統、監控系統、人機界面、控制器以及工藝單元相連，屬于智能工廠生產系統中至關重要的傳輸信息、數據通道，同樣，也是確保可以安全、穩定運行生產系統的基礎。為了對網絡中鏈路、節點設施在故障問題下可以展開網絡通信做出保障，首先，必須要對鏈路冗余以及設施冗余做出考量;其次，必須要對信息網路的安全性投入高度的重視，安全隔離工廠生產管理層網絡以及生產控制層網絡，并且在傳輸數據、信息時，需要做好加密工作。每一個工藝單元都只可以同控制中心確立通信，不同的工藝單元之間不可通信，以減少無線網絡惡意接入問題的發生，對無線通信中數據、信息的可靠與安全傳輸做出保障。

1.2 工業信息網絡建設原則

所謂的智能工廠工業信息網絡，屬于一個實用性、可靠性、安全性、高效性、先進性的現代網絡，其網絡系統必須要對以下幾個要求有所滿足：

第一，先進性。系統結構必須要具備較高的先進性，最好選取業內公認較為先進的技術與設施，通過現代先進管理技術的應用，進而對系統的科學性做出保障。

第二，開放性。網絡必須要擁有較高的開放性，同其他網絡之間可以達成更高的互聯性。

第三，安全性。對網絡中工程師站、PLC等設施不會遭受惡意攻擊做出保證，同時，各個網絡內部可以安全隔離不同層的網絡數據。

第四，可靠性。積極采取先進、成熟技術，針對于關鍵部分，必須要具備充足的備份冗余，網絡結構需要擁有容錯性能。

第五，可管理性。建設網絡必須要對可管理網絡運行做出保障。能夠實時監控網絡性能、發現網絡拓撲問題，并且對網絡故障做出快速診斷。

第六，經濟性。在系統需求滿足的條件下，對投資做出節約，選取具備較高性價比的設施。

2 智能工廠設計方案

2.1 工廠網絡建設需求與分析

在智能工廠中，主要包含部分為生產工藝單元、控制中心以及生產管理區。針對于生產管理區而言，其中主要安裝生產管理系統，并且同控制中心之間展開雙向通信;針對于控制中心而言，主要包括PLC、操作員站以及工程師站。其中，PLC的作用便是對各個工藝單元之間的生產做出協調與管控，操作員站能夠對運行工廠網絡的狀態做出監視，并且，可以將生產數據、信息儲存于操作員站。而不同的工藝單元，以直線的方式排列，各個工藝單元均配有一個PLC，可以將工藝單元內部生產操作加工控制中加以運用，并且，同控制中心PLC展開通信，而各個工藝單元之間不可通信。為了對整體網絡的可靠性做出保障，需要對工廠網絡的自愈性、冗余度做出詳細考量。

在智能工廠中，其通信網絡普遍由生產線、控制中心、生產管理區3個層次組成。以某工廠為例，共計具備生產線6條，均采取直線的形式逐一排列，每一條生產線均為200m的長度，各個生產線保持首尾相連?？刂浦行呐c每條生產線采取有線方法展開通信。另外，同第一個工藝單元靠近，保持100m垂直距離的控制中心內部配置PROFINETI/O控制器同工藝單元中PROFINETI/0設施展開數據的實時共享。除此以外，控制中心所設置的操作員站、工程師站，可以對運行工廠網絡的狀態進行監視，同時，操作員站可以對生產數據做出儲存。另外，與控制中心靠近50m垂直距離的生產管理區內安裝生產管理系統，同控制中心展開有線、雙向通信。并且，遠程維護工作站可以利用控制中心同工廠Internet建設可靠、安全連接，必要的情況下，維護生產控制系統程序。

2.2 工業信息網絡功能需求

第一，網絡冗余。為了對網絡節點設施與鏈路故障發生期間依然能夠網絡通信做出保障，必須要對鏈路冗余、設施冗余做出考量。

第二，安全性。安全隔離生產管理層網絡以及工廠生產控制層網絡，傳輸數據需加密。利用控制中心、工廠Internet連接遠程維護工作站，傳輸數據需加密。每一個工藝單元都只可以同控制中心確立通信，不同的工藝單元之間不可通信，以減少無線網絡惡意接入問題的發生，對無線通信中數據、信息的可靠與安全傳輸做出保障。

第三，整體IP規劃。對整體系統的IP規劃做出考量，包含所有網絡設施代理IP地址、終端IP地址。

2.3 工業信息網絡技術需求

第一，網絡冗余。在工業網絡中，網絡冗余屬于關鍵的保障措施之一。身為一種迅速反應的備份系統，將意外中斷風險減輕是其主要的目標，通過對生產連續即時響應，進而實現關鍵數據流上任何一點失效所產生的影響有效降低。同時，網絡主要是通過各個設施、節電設備之間的連接構成。針對于網絡故障而言，主要包含鏈路故障、節點設施故障兩種。由此可見，必須要在網絡設施、鏈路上均開展冗余，實現網絡冗余度的提升，進而將網絡的靈活性、可靠性。

第二，IP規劃。在規劃工業網絡期間，IP地址方案的合理性不僅可以實現網絡負荷的減少，還可以為擴展網絡奠定堅實的基礎。對IP地址合理規劃，是對有效使用網絡資源、順利運行網絡做出保障的重要因素。在層次網絡結構中，連續地址的疊合更為便利，可以實現路由表的大幅度縮減。同時，能夠實現算法效率的提高。由此可見，必須要將連續IP地址配置于同一層次的網絡中。在每一層次分配地址時，都必須要具備余量，在擴展網絡規模期間，需要對疊合地址所需要的連續性做出保障。同時，將網絡中層次、設施數量作為依據，劃分出一個私有地址。

2.4 網絡拓撲結構分析與設計

在設計網絡拓撲結構方案期間，工廠存在較為顯著的網絡分塊，通常的情況下，能夠劃分為無線覆蓋層、生產管理區接入層、生產線接入層、生產線匯聚層、控制中心覆蓋層。將廠區實際的需求作為依據，設計網絡結構為星型環拓撲結構，同時，利用千兆光纖冗余環網作為匯聚層網絡，從而將鏈路冗余得以實現。所謂的網絡拓撲結構，就是對傳輸媒體加以運用，進而于各種設施物理布局相連，換而言之，就是通過某種方法，連接起網絡中計算機等設施?？偩€結構、環型結構、星型結構屬于較為常見的結構。在本文中，主要采取星型環拓撲結構，從而在匯聚層中形成環網，以星型拓撲結構將接入層接入環中。此星型環拓撲結構，不僅實現網絡整體可靠性的提升，同時，也將網絡響應時間減少。

2.5 網絡功能實現與故障處理

1.網絡功能實現

在規劃網絡IP期間，所有設施采取B類私有地址塊181.1.0.0/16，劃分此地址塊為諸多個干子網。信息安全模塊、交換機等網絡設施代替IP采取地址塊181.1.0.0/24，PROFINETI/0、操作員站、工程師站、生產管理系統、PROFINETI/0控制器分別采取181.1.5.0/24、181.1.4.0/24、181.1.3.0/24、181.1.2.0/24、181.1.1.0/24私有地址塊。

2.匯聚層網絡故障

如果匯聚層有光線斷線問題發生，那么系統則會將匯聚層交換機中所配置的HRP協議作為依據，將備用鏈路自動啟動，確?？梢栽?00ms里，達成重組網絡的目標。網絡的變化不會對連接的數據終端造成影響，而對于各工藝單元之間的生產而言，能夠采取控制中心PLC做出協調與管控。在故障發生于匯聚層交換機期間，雖然已經斷開建設的環網，在2臺生產線主交換機中連接接入層交換機，由于端口做出了冗余，所以，網絡依然還可以持續運作。

3.接入層網絡故障

如果生產線主交換機、生產線接入層交換機有斷線問題發生，則接入層交換機需要采取交換機的端口冗余機制，將切換硬件故障實現，如果一條鏈路有中斷問題發生，其余鏈路則負責此生產線所有的通信傳輸。

如果故障發生于生產線接入層交換機，針對這一情況，可以利用相鄰的工藝單元無線AP將無線客戶端接入主網絡中，只有部分工藝單元可能無法順利接入網絡。

如果控制中心與生產管理區之間有電纜出現斷線事故，也需要將鏈路聚合的原理作為依據，從而降低帶寬為以往的一半，確保不會對正常通信造成影響。

3 結語

綜合上述的分析而言，智能工廠保障信息安全、實現可靠運行的關鍵因素在于工業信息網絡。網絡設計方案與鏈路存在冗余設計，能夠實現系統可靠性的提升。在工廠信息安全方面，此設計方案主要運用ACL訪問技術，可以將外網與內網進行隔離，并且對惡意接入無線網絡以及工藝單元問題做出有效規避，整體的設計方案可以對智能工廠的生產需求與通信需求做出全面滿足。

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