工業(yè)自動化層級以太網(wǎng)絡架構(gòu)系統(tǒng)的應用

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)絡基礎的建設至關(guān)重要。而以太網(wǎng)作為一種先進的網(wǎng)絡技術(shù)，在工業(yè)層級得到普遍推廣和使用，其被人們認為是工業(yè)自動化層級網(wǎng)絡的最佳解決方案。雖然就目前的應用而言，由于各大生產(chǎn)廠商的應用層協(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)場景，但是隨著近幾年的技術(shù)發(fā)展及場景的需要，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)的標準化建立及完善，有助于保障生產(chǎn)設備網(wǎng)絡的穩(wěn)定性及充分發(fā)揮以太網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的核心價值作用[1]。

1 網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)

一個完整的網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)，在規(guī)劃時分三層設計，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 網(wǎng)絡層級概述

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，整個架構(gòu)分為3個層級分別為：工廠級、車間級、現(xiàn)場級[2]。

（1）工廠級為上層IT范疇，主要是和車間級交互預留接口,本文不做深討。（2）車間級-交換機環(huán)網(wǎng)，通常稱之為三層ZONE環(huán)網(wǎng)絡，ZONE層交換機為支持三層協(xié)議的管理型交換機，在整個網(wǎng)絡架構(gòu)中起承上啟下的作用，即上與IT等上位通訊，下與現(xiàn)場設備鏈接，同級之間還可以支持車間內(nèi)部的中控室和現(xiàn)場的工作維護站等。（3）現(xiàn)場級-交換機環(huán)網(wǎng)或單交換機應用場景，通常稱之為二層Cell交換機環(huán)網(wǎng)，Cell層交換機可以為非三層的管理型交換機或非管理型交換機。

1.2 網(wǎng)絡環(huán)網(wǎng)說明

本次規(guī)劃的網(wǎng)絡最大的特點是，在各層級盡可能地采用環(huán)型網(wǎng)絡拓撲，環(huán)網(wǎng)優(yōu)點是，任一結(jié)點一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)可以自動旁路，可靠性較高，保證了網(wǎng)絡的傳輸準確率。

2 交換機及其連接要求

Zone層交換機采用具有動態(tài)路由功能的管理型交換機，并且可以通過PLC編程軟件對交換機的每個端口進行監(jiān)控及管理，也可以為每個Cell劃分不同的Vlan。Zone交換機中指定1臺為主管理交換機，同時指定1臺作為備用管理交換機，當主管理交換機出現(xiàn)故障無法及時恢復時，備用管理交換機立即接管工作[3]。

Zone層交換機環(huán)網(wǎng)之間采用光纖進行連接，Zone層交換機與上位、中控室、車間工作站及Cell交換機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層交換機組成環(huán)網(wǎng)通訊，網(wǎng)絡架構(gòu)中Cell層交換機采用支持環(huán)網(wǎng)協(xié)議的管理型交換機，一般情況下Cell層交換機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交換機連接進行通訊。

交換機預留推薦最低要求：Zone層交換機預留1個光口和1個電口，Cell層交換機預留1個電口即可。

PLC機架上需配置獨立的以太網(wǎng)模塊，通過EtherNet/IP協(xié)議與Cell層交換機連接后，通過Zone層交換機路由到上位，實現(xiàn)與上位的通訊應用，如MES、EAM、ERP、SAP系統(tǒng)等。

PLC機架上需配置獨立的以太網(wǎng)模塊，通過EtherNet/IP協(xié)議與Cell層交換機連接到現(xiàn)場設備，實現(xiàn)（現(xiàn)場級）設備的通訊。

設備層主要采用環(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與Cell層交換機通訊，實現(xiàn)設備層的環(huán)網(wǎng)，防止某臺設備掉線后，網(wǎng)絡從另一環(huán)路通，下一設備不受影響，從而將減少生產(chǎn)停機的概率，特殊場景如機器人工作站可采用星形結(jié)構(gòu)。

3 網(wǎng)絡設備的IP地址統(tǒng)一規(guī)劃

以前車間設備的IP地址非常雜亂，每次新加入設備，IP都沒有統(tǒng)一管理起來，造成后續(xù)維護比較困難，所以IP地址提前統(tǒng)一規(guī)劃，并建立適用的標準，對設備的管理及運行維護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層交換機為同一個Vlan，IP地址需要允許路由到Zone交換機。通過Zone層交換機可以訪問到現(xiàn)場的所有設備。

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

IP地址：10. 128.AAB.CCC

設備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)絡控制設備，如交換機、I/O模塊、變頻器、觸摸屏等。

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

AA代表W車間各條工藝線、機運線及機器人劃分區(qū)。

各車間按工藝線、機運線、機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I/O模塊較機運線多，而變頻器及電機等機運線多于工藝線，機器人站較工藝及機運線又比較特殊。

另外很重要的一點，就是Zone交換機IP管理我們也作如下規(guī)則：

Zone的交換機的Loopback口地址段：

10.128.254.CCC

Zone層及Cell層環(huán)網(wǎng)各交換機等網(wǎng)絡設備的管理IP段：

10.128.253.CCC

Zone環(huán)網(wǎng)各設備間三層互聯(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)絡管理

網(wǎng)絡系統(tǒng)設計再好，如果后續(xù)不進行合理的維護管理，那么久而久之，網(wǎng)絡系統(tǒng)還是會出現(xiàn)各種各樣的問題。因此，需要實時監(jiān)控網(wǎng)絡的狀態(tài)，出現(xiàn)任何故障系統(tǒng)能及時發(fā)出報警，通知相關(guān)人員處理。我們設計了維修工作站點，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，對網(wǎng)絡進行管理維護。

維修工作站與Zone交換機相連，可以監(jiān)控、修改、下載與其相連的Cell層PLC中的程序和設備運行狀態(tài)，方便人員及時在現(xiàn)場查看設備實時狀態(tài)。

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

5 網(wǎng)絡安全

5.1 軟硬件手段

網(wǎng)絡安全數(shù)據(jù)要求數(shù)據(jù)傳輸100%準確性，要求被連入控制網(wǎng)絡的其他網(wǎng)絡干擾不會引起過程延時和控制信號丟失。出于這個原因考慮，我們要求控制網(wǎng)絡必須與辦公環(huán)境因特網(wǎng)隔離。通過運用網(wǎng)關(guān)，防火墻，路由或者恰當?shù)陌踩浻布硖峁┣‘數(shù)木W(wǎng)絡安全。

5.2 人員管理

對車間維護人員的隨意插拔移動存儲設備作嚴格管理要求，必須指定人員，應用指定的維護電腦進行維護作業(yè)，此電腦及移動存儲設備不允許連接任何外網(wǎng)，防止本地導入病毒及其他攻擊軟件等

6 結(jié)語

通過對工廠自動化層級的以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)標準化應用的優(yōu)化，實現(xiàn)了從設備底層到控制系統(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條件。同時，通過硬件及IP地址管理的統(tǒng)一部署，將設備型號種類減少，節(jié)約備件的數(shù)量為系統(tǒng)的維護節(jié)約了成本，對企業(yè)來說，也實現(xiàn)了降本增效的目標，這也是標準化的核心目標之一?？傊粋€完善的網(wǎng)絡架構(gòu)系統(tǒng)是需要不斷更新和改進的，以適應新時代、新技術(shù)的發(fā)展需要，從而為企業(yè)實現(xiàn)長久的價值。