工業(yè)自動(dòng)化層級(jí)以太網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)的應(yīng)用

周資清，許鎮(zhèn)嵩，柳凱旋

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

眾所周知，未來工業(yè)發(fā)展的方向是智能化、萬物互聯(lián)，其中網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的建設(shè)至關(guān)重要。而以太網(wǎng)作為一種先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在工業(yè)層級(jí)得到普遍推廣和使用，其被人們認(rèn)為是工業(yè)自動(dòng)化層級(jí)網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案。雖然就目前的應(yīng)用而言，由于各大生產(chǎn)廠商的應(yīng)用層協(xié)議的差異化，工業(yè)以太網(wǎng)還不能100%全覆蓋所有的工業(yè)場(chǎng)景，但是隨著近幾年的技術(shù)發(fā)展及場(chǎng)景的需要，未來工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)十分完善。因此，以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化建立及完善，有助于保障生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性及充分發(fā)揮以太網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的核心價(jià)值作用[1]。

1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，在規(guī)劃時(shí)分三層設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 網(wǎng)絡(luò)層級(jí)概述

圖1采用全工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的控制架構(gòu)。從圖1中展示可以看出，整個(gè)架構(gòu)分為3個(gè)層級(jí)分別為：工廠級(jí)、車間級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)[2]。

（1）工廠級(jí)為上層IT范疇，主要是和車間級(jí)交互預(yù)留接口,本文不做深討。（2）車間級(jí)-交換機(jī)環(huán)網(wǎng)，通常稱之為三層ZONE環(huán)網(wǎng)絡(luò)，ZONE層交換機(jī)為支持三層協(xié)議的管理型交換機(jī)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中起承上啟下的作用，即上與IT等上位通訊，下與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備鏈接，同級(jí)之間還可以支持車間內(nèi)部的中控室和現(xiàn)場(chǎng)的工作維護(hù)站等。（3）現(xiàn)場(chǎng)級(jí)-交換機(jī)環(huán)網(wǎng)或單交換機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景，通常稱之為二層Cell交換機(jī)環(huán)網(wǎng)，Cell層交換機(jī)可以為非三層的管理型交換機(jī)或非管理型交換機(jī)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)說明

本次規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)是，在各層級(jí)盡可能地采用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，環(huán)網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)是，任一結(jié)點(diǎn)一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)可以自動(dòng)旁路，可靠性較高，保證了網(wǎng)絡(luò)的傳輸準(zhǔn)確率。

2 交換機(jī)及其連接要求

Zone層交換機(jī)采用具有動(dòng)態(tài)路由功能的管理型交換機(jī)，并且可以通過PLC編程軟件對(duì)交換機(jī)的每個(gè)端口進(jìn)行監(jiān)控及管理，也可以為每個(gè)Cell劃分不同的Vlan。Zone交換機(jī)中指定1臺(tái)為主管理交換機(jī)，同時(shí)指定1臺(tái)作為備用管理交換機(jī)，當(dāng)主管理交換機(jī)出現(xiàn)故障無法及時(shí)恢復(fù)時(shí)，備用管理交換機(jī)立即接管工作[3]。

Zone層交換機(jī)環(huán)網(wǎng)之間采用光纖進(jìn)行連接，Zone層交換機(jī)與上位、中控室、車間工作站及Cell交換機(jī)之間也通過光纖連接，并且考慮備用線路。

一套PLC系統(tǒng)下的Cell層交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)通訊，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中Cell層交換機(jī)采用支持環(huán)網(wǎng)協(xié)議的管理型交換機(jī)，一般情況下Cell層交換機(jī)間可不采用光纖連接（Cell層距離超過85米需要采用光纖連接），Cell環(huán)與環(huán)之間通過Zone交換機(jī)連接進(jìn)行通訊。

交換機(jī)預(yù)留推薦最低要求：Zone層交換機(jī)預(yù)留1個(gè)光口和1個(gè)電口，Cell層交換機(jī)預(yù)留1個(gè)電口即可。

PLC機(jī)架上需配置獨(dú)立的以太網(wǎng)模塊，通過EtherNet/IP協(xié)議與Cell層交換機(jī)連接后，通過Zone層交換機(jī)路由到上位，實(shí)現(xiàn)與上位的通訊應(yīng)用，如MES、EAM、ERP、SAP系統(tǒng)等。

PLC機(jī)架上需配置獨(dú)立的以太網(wǎng)模塊，通過EtherNet/IP協(xié)議與Cell層交換機(jī)連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)（現(xiàn)場(chǎng)級(jí)）設(shè)備的通訊。

設(shè)備層主要采用環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，通過1783-ETAP或小型非管理交換機(jī)與Cell層交換機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備層的環(huán)網(wǎng)，防止某臺(tái)設(shè)備掉線后，網(wǎng)絡(luò)從另一環(huán)路通，下一設(shè)備不受影響，從而將減少生產(chǎn)停機(jī)的概率，特殊場(chǎng)景如機(jī)器人工作站可采用星形結(jié)構(gòu)。

3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址統(tǒng)一規(guī)劃

以前車間設(shè)備的IP地址非常雜亂，每次新加入設(shè)備，IP都沒有統(tǒng)一管理起來，造成后續(xù)維護(hù)比較困難，所以IP地址提前統(tǒng)一規(guī)劃，并建立適用的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備的管理及運(yùn)行維護(hù)的幫助也就不言而喻了。

首先Vlan劃分，一套PLC系統(tǒng)下所有模塊與Cell層交換機(jī)為同一個(gè)Vlan，IP地址需要允許路由到Zone交換機(jī)。通過Zone層交換機(jī)可以訪問到現(xiàn)場(chǎng)的所有設(shè)備。

其次IP地址劃分，我們預(yù)先規(guī)劃各車間的IP網(wǎng)段，例如對(duì)W、P、T車間作以下幾點(diǎn)規(guī)定。

W車間：10.128.AAB.CCC

P車間：10.129.AAB.CCC

T車間：10.130.AAB.CCC

W車間舉例以下幾點(diǎn)。

IP地址：10. 128.AAB.CCC

設(shè)備IP規(guī)劃說明：

在W車間，10.128段是規(guī)定不變的，AAB和CCC段是變化的。

子網(wǎng)掩碼：255.255.255.0。

CCC代表Cell中各種網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備，如交換機(jī)、I/O模塊、變頻器、觸摸屏等。

B代表PLC編號(hào)，每個(gè)數(shù)字（0-9）代表一套PLC，每個(gè)Cell一套PLC。

AA代表W車間各條工藝線、機(jī)運(yùn)線及機(jī)器人劃分區(qū)。

各車間按工藝線、機(jī)運(yùn)線、機(jī)器人站有三種不同的IP地址分配規(guī)則，如此考慮主要是由于工藝線現(xiàn)場(chǎng)I/O模塊較機(jī)運(yùn)線多，而變頻器及電機(jī)等機(jī)運(yùn)線多于工藝線，機(jī)器人站較工藝及機(jī)運(yùn)線又比較特殊。

另外很重要的一點(diǎn)，就是Zone交換機(jī)IP管理我們也作如下規(guī)則：

Zone的交換機(jī)的Loopback口地址段：

10.128.254.CCC

Zone層及Cell層環(huán)網(wǎng)各交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理IP段：

10.128.253.CCC

Zone環(huán)網(wǎng)各設(shè)備間三層互聯(lián)以及Zone交換與Cell環(huán)互聯(lián)接口IP段：

10.128.252.CCC

工作站IP地址：

10.128.251.CCC

網(wǎng)關(guān)：

10. 128.AAB.254

4 網(wǎng)絡(luò)管理

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)再好，如果后續(xù)不進(jìn)行合理的維護(hù)管理，那么久而久之，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還是會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題。因此，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，出現(xiàn)任何故障系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警，通知相關(guān)人員處理。我們?cè)O(shè)計(jì)了維修工作站點(diǎn)，維修工作站須安裝正版以太網(wǎng)管理軟件、PLC編程軟件等。工程師通過使用以太網(wǎng)管理軟件，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理維護(hù)。

維修工作站與Zone交換機(jī)相連，可以監(jiān)控、修改、下載與其相連的Cell層PLC中的程序和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，方便人員及時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)查看設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)。

如果網(wǎng)絡(luò)部署有無線AP或其他無線設(shè)備，我們也規(guī)定頻段區(qū)分，以防止網(wǎng)絡(luò)之間相互干擾的存在。

5 網(wǎng)絡(luò)安全

5.1 軟硬件手段

網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)要求數(shù)據(jù)傳輸100%準(zhǔn)確性，要求被連入控制網(wǎng)絡(luò)的其他網(wǎng)絡(luò)干擾不會(huì)引起過程延時(shí)和控制信號(hào)丟失。出于這個(gè)原因考慮，我們要求控制網(wǎng)絡(luò)必須與辦公環(huán)境因特網(wǎng)隔離。通過運(yùn)用網(wǎng)關(guān)，防火墻，路由或者恰當(dāng)?shù)陌踩浻布硖峁┣‘?dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全。

5.2 人員管理

對(duì)車間維護(hù)人員的隨意插拔移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備作嚴(yán)格管理要求，必須指定人員，應(yīng)用指定的維護(hù)電腦進(jìn)行維護(hù)作業(yè)，此電腦及移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備不允許連接任何外網(wǎng)，防止本地導(dǎo)入病毒及其他攻擊軟件等

6 結(jié)語

通過對(duì)工廠自動(dòng)化層級(jí)的以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)備底層到控制系統(tǒng)乃至上位的全通道信息互通，為工業(yè)生產(chǎn)的全信息共享提供有力的保障，為智能化和網(wǎng)聯(lián)化提供了很好的基礎(chǔ)條件。同時(shí)，通過硬件及IP地址管理的統(tǒng)一部署，將設(shè)備型號(hào)種類減少，節(jié)約備件的數(shù)量為系統(tǒng)的維護(hù)節(jié)約了成本，對(duì)企業(yè)來說，也實(shí)現(xiàn)了降本增效的目標(biāo)，這也是標(biāo)準(zhǔn)化的核心目標(biāo)之一。總之，一個(gè)完善的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)是需要不斷更新和改進(jìn)的，以適應(yīng)新時(shí)代、新技術(shù)的發(fā)展需要，從而為企業(yè)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久的價(jià)值。