網絡管理系統在數字化制藥工廠中的應用探討

關鍵詞：數字化工廠；生物制藥；工業網絡；NMS；網絡管理

中圖分類號：TP315 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）16-0076-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.16.020

0 引言

生物制藥工廠是一個典型的工藝流程復雜、自動化程度高且需要嚴格遵守法規標準的工業環境，在生產過程中，對網絡設備的實時監控、故障預警以及對生產過程的數據采集和分析至關重要。

針對工廠網絡架構龐大、網絡設備安裝位置分散、無故障預警提示、網絡運行狀態無法實時監控等運維難點，本文通過整合工廠現有資源，以西門子網絡管理系統（NMS）為運維平臺，設計網絡設備管理、網絡資源管理、性能管理、告警管理和拓撲管理等基本功能模塊，通過數據采集、數據處理、數據呈現等關鍵技術，實現對各網絡設備的集中管理，降低了運營維護管理成本，提高了運營維護效率和水平。

1 西門子NMS概述

西門子NMS是一種全面的網絡管理解決方案，它集成了先進的網絡監控、配置管理、故障排除以及性能優化等功能。該系統基于開放的標準和模塊化設計，可以輕松地與各種制藥工廠中的網絡設備和系統進行集成，實現統一管理和監控。

工作原理：西門子NMS通過網絡管理協議SNMP來收集網絡設備的信息。系統包括控制（管理整個網絡，制定和下發策略）、運維（搜集網絡設備信息并匯總）兩個功能模塊，通過控制模塊設置網絡掃描策略，策略會自動同步下發到運維模塊，從而實現網絡設備信息的收集。

2 工廠網絡維護需求設計

2.1設備監控與故障預警

西門子NMS可以實時監控制藥工廠中的各種網絡設備，包括生產網絡上的核心網絡設備、各系統子網的網絡設備等。通過收集設備的運行數據，系統可以及時發現潛在的問題，并發出預警，幫助工廠維護人員及時進行維修和保養，避免生產中斷和產品質量問題[]。

2.2 數據采集與分析

西門子NMS可以實時采集網絡中的各種數據，包括網絡設備的運行狀態、網絡通信負載、網絡信號傳輸質量等。通過對這些數據的分析，工廠管理人員可以了解整個工廠網絡的瓶頸和問題，并制定相應的優化措施。

2.3 法規遵從與質量保證

制藥工廠需要嚴格遵守各種法規標準，確保產品的質量和安全。西門子NMS可以幫助工廠實現法規遵從和質量保證，系統可以記錄生產過程中的所有網絡異常、故障和操作，并提供整個維護期內的可追溯性。

3 NMS實施

通過在生產網絡中部署一套西門子NMS，實現對生產網絡設備的實時監控和數據分析。

3.1 網絡規模及拓撲

該工廠擁有的生產系統包括DCS（集散控制系統）、MES（生產執行系統）、BMS（樓宇控制系統）、EMS（環境監視系統）、SCADA（數據采集與監視控制系統），為了保證不同系統網絡相互之間互不干擾并方便管理，將各系統分別劃分在不同的VLAN中，不同系統之間通信依賴于路由2。生產系統采用PCS7三層網絡結構，即工廠總線層（系統總線層）、終端總線層、現場總線層。其中系統總線包含網絡交換機10個，終端總線包括網絡交換機39個，現場總線網絡為通過Profibus-DP以及Profinet連接所有子站和控制器。網絡拓撲圖如圖1所示，可以看出，該工廠網絡中存在大量設備，若仍采用維護人員逐一巡檢的方式，不僅維護難度大，還易存在維護不及時等問題。

3.2 系統配置和應用

西門子NMS支持分布式布置，無須增加額外的硬件，僅需將該系統軟件部署在網絡中任意PC站，并配置好網絡掃描規則，然后便可以監控并管理網絡中所有的網絡設備。

在設定好指定IP后，手動進行掃描工作，系統便可掃描網絡內指定IP范圍內的所有網絡設備，首次掃描工作結束之后，系統會通過SNMP、LLDP協議收集設備信息，生成拓撲圖3，通過拓撲菜單可以看到讀取出來的設備間的連接關系。并且為了加快對故障的檢測，維護人員在網絡設備中激活了SNMP陷阱服務，當設備出現瞬間故障時，故障會通過陷阱服務傳給NMS并記錄事件，拓撲視圖給出提示并在故障消失后恢復。對于不支持SNMP協議的設備，因拓撲關系無法自動讀取，可以通過手動添加的方式，確立與相應設備端口間的連接關系。因工廠網絡龐大，維護人員根據不同系統的劃分，在設備樹區域的視圖中創建了多個自定義視圖，并在各視圖中添加對應系統的網絡設備，以此來管理和顯示期望獲得的網絡設備信息，通過這種方式，大大提升了對網絡設備的觀察與管理效率。

圖1網絡拓撲圖

3.3 網絡維護

西門子NMS支持網絡設備診斷，通過SNMP將設備報警信息傳送至NMS，維護人員可在網絡設備的信息中查詢相應告警事件，并根據事件內容對設備進行維護。當工廠網絡設備出現故障時，系統會以高亮形式將故障網絡設備告知維護人員，并且基于強大的網絡事件庫，系統會自動匹配故障事件類型，給出故障原因，從而極大地縮短了人工排查故障時間，如圖2、圖3所示。該工廠生產網絡使用了環形網絡，并采用HRP高速冗余協議[4，因此即使單臺網絡設備出現問題，也不會使生產暫停，這就提升了生產效率，降低了質量風險。同時，系統還可進行Profinet診斷，可對PLC以及Profinet設備進行監視，通過系統自帶的Profinet標準診斷庫，獲取設備報警信息，及時有效地處理故障。例如，當某臺PLC控制器頻繁觸發通信中斷告警時，維護人員通過在系統上查看其連接的Profinet子站、交換機端口狀態及鏈路質量數據，綜合判斷故障源為子站設備異常而非網絡鏈路問題。這一功能使維護人員處理故障的平均響應時間從傳統模式的1.5h縮短至 30min 以下。

隨著工廠的智能化升級，網絡設備的增加不可避免，網絡拓撲也會隨之發生改變，甚至兩臺網絡設備之間的連接關系也會因此改變。針對這一情況，維護人員僅需手動再執行一次掃描任務，新增的網絡設備便會添加到系統中。NMS可依據以前生成的參考視圖中的連接關系來評估網絡設備的運行情況，當設備的端口或鏈路連接狀態與參考連接不符時，拓撲視圖會以紅色高亮的形式提示維護人員，維護人員可以依據實際連接關系及時對拓撲結構進行修正。該項功能及時保證了拓撲圖與實際網絡的一致性，并提升了維護的準確性。

圖2拓撲中出現故障的網絡設備

3.4 系統運行報告

NMS擁有可用性、性能、清單、事件以及驗證報表共5種報告類型，維護人員根據需求查詢不同的報告，可快速了解工廠的網絡配置情況與運行情況，降低了維護的上手難度，提升了維護的便利性。

圖3故障設備的告警事件

維護人員通過可用性報告（圖4，可獲取篩選時間內設備及接口的在線情況，當存在設備掉線或接□中斷時，通過歷史趨勢圖可快速找到故障時間節點，據此分析故障產生的原因。性能報告主要對LAN接口利用率和質量、WLAN接口錯誤率、數據傳輸率、信號強度、丟棄的數據包等數據進行統計，維護人員可通過設置統計時間范圍，查看鏈路連接情況，若數據較差，則及時維護鏈路。清單報告中則列出該工廠所統計的網絡設備如制造商、設備類型等信息。事件報告中記錄了網絡設備行為（如設備故障、接口中斷等）與系統本身行為（如系統操作），保證了故障事件與操作的可追溯性。維護人員在驗證報表中建立了不同的模板，并為每個模板組態好檢查標準（如是否存在設備名稱沖突、設備接口利用率不低于60% 等），根據需要選擇對應模板，點擊生成報告，系統便可自動進行數據分析處理，維護人員在報告中可快速了解到實際的網絡狀況是否可以通過此前設置的檢查標準，如果報告顯示不通過，也可查看在哪些地方出現失敗，及時分析原因，做到預防性維護。

4 實施成果

工廠通過建立生產NMS，實現了對生產網絡中64臺設備的聯網監控，系統自動生成網絡拓撲鏈路圖，并實時監控網絡鏈路上的數據流量；同時實現了網絡故障實時預警、事件日志采集。自系統建立應用以后，工廠生產網絡故障年發生率降低了 60% ，故障處理時效由 90min 縮短至 30min ，極大地提升了生產效率和運維效率，從而保障了生產長期連續、穩定進行。

5 結束語

綜上所述，西門子NMS在制藥工廠中的應用，不僅提高了生產效率，保證了產品質量，還有助于滿足嚴格的法規要求。隨著制藥行業的不斷發展，相信西門子NMS將在更多制藥工廠中發揮重要作用，推動制藥行業的科技進步和產業升級。

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[4]邱雪娜，葉杭輝.智能工廠的工業網絡架構設計與實現[J].科學技術創新，2023（13）：92-95.

圖4系統中網絡設備可用性報告

收稿日期：2025-05-09

作者簡介：陳乙鋒（1998一），男，四川資陽人，助理工程師，研究方向：自動化控制。