工業自動化層級以太網絡架構系統的應用

周資清，許鎮嵩，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，未來工業發展的方向是智能化、萬物互聯，其中網絡基礎的建設至關重要。而以太網作為一種先進的網絡技術，在工業層級得到普遍推廣和使用，其被人們認為是工業自動化層級網絡的最佳解決方案。雖然就目前的應用而言，由于各大生產廠商的應用層協議的差異化，工業以太網還不能100%全覆蓋所有的工業場景，但是隨著近幾年的技術發展及場景的需要，未來工業以太網技術已經十分完善。因此，以太網系統架構的標準化建立及完善，有助于保障生產設備網絡的穩定性及充分發揮以太網在工業生產過程中的核心價值作用[1]。

1 網絡系統架構

一個完整的網絡系統架構，在規劃時分三層設計，如圖1所示。

圖1 網絡系統架構圖

1.1 網絡層級概述

圖1采用全工業以太網系統的控制架構。從圖1中展示可以看出，整個架構分為3個層級分別為：工廠級、車間級、現場級[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-交換機環網，通常稱之為三層ZONE環網絡，ZONE層交換機為支持三層協議的管理型交換機，在整個網絡架構中起承上啟下的作用，即上與IT等上位通訊，下與現場設備鏈接，同級之間還可以支持車間內部的中控室和現場的工作維護站等。（3）現場級-交換機環網或單交換機應用場景，通常稱之為二層Cell交換機環網，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 網絡環網說明

本次規劃的網絡最大的特點是，在各層級盡可能地采用環型網絡拓撲，環網優點是，任一結點一旦發生故障，系統可以自動旁路，可靠性較高，保證了網絡的傳輸準確率。

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層交換機環網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系統下的Cell層交換機組成環網通訊，網絡架構中Cell層交換機采用支持環網協議的管理型交換機，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環與環之間通過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模塊，通過EtherNet/IP協議與Cell層交換機連接后，通過Zone層交換機路由到上位，實現與上位的通訊應用，如MES、EAM、ERP、SAP系統等。

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

設備層主要采用環型工業以太網協議，通過1783-ETAP或小型非管理交換機與Cell層交換機通訊，實現設備層的環網，防止某臺設備掉線后，網絡從另一環路通，下一設備不受影響，從而將減少生產停機的概率，特殊場景如機器人工作站可采用星形結構。

3 網絡設備的IP地址統一規劃

以前車間設備的IP地址非常雜亂，每次新加入設備，IP都沒有統一管理起來，造成后續維護比較困難，所以IP地址提前統一規劃，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場的所有設備。

其次IP地址劃分，我們預先規劃各車間的IP網段，例如對W、P、T車間作以下幾點規定。

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規劃說明：

在W車間，10.128段是規定不變的，AAB和CCC段是變化的。

子網掩碼：255.255.255.0。

CCC代表Cell中各種網絡控制設備，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。

各車間按工藝線、機運線、機器人站有三種不同的IP地址分配規則，如此考慮主要是由于工藝線現場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則：

Zone的交換機的Loopback口地址段：

10.128.254.CCC

Zone層及Cell層環網各交換機等網絡設備的管理IP段：

10.128.253.CCC

Zone環網各設備間三層互聯以及Zone交換與Cell環互聯接口IP段：

10.128.252.CCC

工作站IP地址：

10.128.251.CCC

網關：

10. 128.AAB.254

4 網絡管理

網絡系統設計再好，如果后續不進行合理的維護管理，那么久而久之，網絡系統還是會出現各種各樣的問題。因此，需要實時監控網絡的狀態，出現任何故障系統能及時發出報警，通知相關人員處理。我們設計了維修工作站點，維修工作站須安裝正版以太網管理軟件、PLC編程軟件等。工程師通過使用以太網管理軟件，對網絡進行管理維護。

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

如果網絡部署有無線AP或其他無線設備，我們也規定頻段區分，以防止網絡之間相互干擾的存在。

5 網絡安全

5.1 軟硬件手段

網絡安全數據要求數據傳輸100%準確性，要求被連入控制網絡的其他網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，我們要求控制網絡必須與辦公環境因特網隔離。通過運用網關，防火墻，路由或者恰當的安全軟硬件來提供恰當的網絡安全。

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，此電腦及移動存儲設備不允許連接任何外網，防止本地導入病毒及其他攻擊軟件等

6 結語

通過對工廠自動化層級的以太網系統架構標準化應用的優化，實現了從設備底層到控制系統乃至上位的全通道信息互通，為工業生產的全信息共享提供有力的保障，為智能化和網聯化提供了很好的基礎條件。同時，通過硬件及IP地址管理的統一部署，將設備型號種類減少，節約備件的數量為系統的維護節約了成本，對企業來說，也實現了降本增效的目標，這也是標準化的核心目標之一。總之，一個完善的網絡架構系統是需要不斷更新和改進的，以適應新時代、新技術的發展需要，從而為企業實現長久的價值。