董建軍　譚尊兵

【摘 要】自動(dòng)化是目前全球制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，一個(gè)完整的自動(dòng)化生產(chǎn)線包括PLC、人機(jī)界面（HMI）、分布式I/O、儀表、工業(yè)機(jī)器人等，而這些組成部份都需要工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接，構(gòu)成統(tǒng)一整體。工業(yè)以太網(wǎng)是一種高效的局域網(wǎng)絡(luò)，它是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)體系中的重要組成部份，不管是傳感器數(shù)據(jù)傳輸還是生產(chǎn)設(shè)備控制等等，這些都需要以太網(wǎng)來構(gòu)成基本的控制網(wǎng)絡(luò)。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng)；環(huán)網(wǎng)

0 概述

近些年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)性能要求越來越高，以太網(wǎng)正逐步進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，形成新型的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

與普通的以太網(wǎng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)需要解決開放性、實(shí)時(shí)性、可靠性、抗干擾性及安全性等諸多方面的問題。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)并不是為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性需要。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾、溫度、灰塵等條件非常惡劣，因此對(duì)設(shè)備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求，在某些高危領(lǐng)域的應(yīng)用甚至是極端苛刻的。

工業(yè)以太網(wǎng)的主干網(wǎng)絡(luò)主要采用環(huán)網(wǎng)的方式。傳統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡(luò)采用的是主干的方式，中間的任何一條連接線斷掉，都至少會(huì)影響連接中的一個(gè)區(qū)域，這就給網(wǎng)絡(luò)的安全性帶來了隱患。使網(wǎng)絡(luò)處于冗余模式就顯得非常必要，環(huán)網(wǎng)功能很好的解決了這一問題。一般的以太網(wǎng)交換機(jī)不能作環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)橐坏纬森h(huán)形，會(huì)形成廣播風(fēng)暴。環(huán)網(wǎng)交換機(jī)采用了某些特殊技術(shù)，避免了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

1 主要的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫蔷W(wǎng)絡(luò)形狀，或者是它在物理上的連通性。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指用傳輸媒體互連各種設(shè)備的物理布局，就是用什么方式把網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)等設(shè)備連接起來。它的結(jié)構(gòu)主要有星型結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu)等。

工業(yè)以太網(wǎng)主要采用環(huán)型結(jié)構(gòu)和星型結(jié)構(gòu)：

1.1 星型結(jié)構(gòu)

星型結(jié)構(gòu)是指各終端設(shè)備以星型方式連接成網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)有中央節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)（工作站、服務(wù)器）都與中央節(jié)點(diǎn)直接相連，這種結(jié)構(gòu)以中央節(jié)點(diǎn)為中心，因此又稱為集中式網(wǎng)絡(luò)。

優(yōu)點(diǎn)：

便于集中控制，端用戶之間的通信必須經(jīng)過中心站。

易于維護(hù)，故障診斷和隔離容易。

帶寬為獨(dú)立帶寬。

缺點(diǎn)：

中心系統(tǒng)必須具有極高的可靠性，因?yàn)橹行南到y(tǒng)一旦損壞，整個(gè)系統(tǒng)便趨于癱瘓。

電纜長(zhǎng)度和安裝工作量較大。

1.2 環(huán)型結(jié)構(gòu)

環(huán)型結(jié)構(gòu)在工控系統(tǒng)中使用較多。這種結(jié)構(gòu)中的傳輸媒體從一個(gè)端用戶到另一個(gè)端用戶，直到將所有的端用戶連成環(huán)型。數(shù)據(jù)在環(huán)路中沿著一個(gè)方向在各個(gè)節(jié)點(diǎn)間傳輸，信息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)顯而易見消除了端用戶通信時(shí)對(duì)中心系統(tǒng)的依賴性。

優(yōu)點(diǎn)：

網(wǎng)絡(luò)冗余，降低故障風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)施。

缺點(diǎn)：

帶寬為共享帶寬，數(shù)據(jù)量不能太大，對(duì)于實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控等往往需要重復(fù)投資，搭建專用網(wǎng)絡(luò)。

信息從一個(gè)站點(diǎn)到另一個(gè)站點(diǎn)，如果中間有站點(diǎn)，總要經(jīng)過中間站點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)傳遞。

2 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用案例

以太網(wǎng)技術(shù)提供了足夠的帶寬使得通訊的實(shí)時(shí)性成為可能，但在使用過程中還是要謹(jǐn)慎的控制和核算系統(tǒng)的負(fù)荷，建議控制在25%以下，以保證系統(tǒng)的可靠性。

設(shè)置的高速以太環(huán)網(wǎng)，主鏈路采用千兆光纖。在核心層采用千兆工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，通過千兆鏈路將各環(huán)網(wǎng)的交換設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心層次，同時(shí)具備高冗余性能。根據(jù)實(shí)際情況，按區(qū)域、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、規(guī)?？蓜澐譃橐粋€(gè)環(huán)。

主環(huán)網(wǎng)采用千兆工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，中央網(wǎng)絡(luò)設(shè)置兩臺(tái)三層交換機(jī)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的匯聚核心交換機(jī)，通過光纜與主干交換機(jī)之間進(jìn)行傳輸。

（1）TCP/IP環(huán)網(wǎng)部分

所有交換機(jī)都采用光纖端口組環(huán)，一個(gè)連接上級(jí)交換機(jī)，一個(gè)用于連接下級(jí)交換機(jī)，構(gòu)成一個(gè)完整的光纖環(huán)路。當(dāng)其中某一段工作中的光纖線路被破壞或相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)自愈，并在500ms內(nèi)恢復(fù)正常的通訊。

如果環(huán)網(wǎng)中某個(gè)交換設(shè)備或鏈路發(fā)生故障，環(huán)網(wǎng)傳輸路徑將選擇反方向傳輸，保證主傳輸通道信號(hào)不間斷，傳輸路徑倒換時(shí)間設(shè)計(jì)小于500ms。

（2）控制環(huán)網(wǎng)部分

控制環(huán)網(wǎng)用于設(shè)備比較分散的區(qū)域，既節(jié)約成本又可以增加安全性，選用的交換機(jī)需要支持相關(guān)的控制協(xié)議，主要是Profinet，EtherNET-IP協(xié)議。

（3）星型結(jié)構(gòu)

星型結(jié)構(gòu)主要用于設(shè)備比較集中的區(qū)域，使用星型結(jié)構(gòu)有利于項(xiàng)目的快速實(shí)施，每個(gè)通道也可以占用獨(dú)立的帶寬。

3 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)布局主要遵循以下原則

交換機(jī)機(jī)柜至終端接入點(diǎn)（PLC或計(jì)算機(jī)等）不超過90m。

依據(jù)終端接入點(diǎn)的分布情況，集中就近布置。

現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)機(jī)柜安裝高度：不影響通道的情況下建議安裝高度：機(jī)柜中心線距地面1.5m。如占用人行通道空間，建議安裝高度：機(jī)柜底部距地面2.5m。

4 IP地址的分配

IP地址的分配需要遵循一定的原則，對(duì)于每一類設(shè)備需要指定范圍，有利于生產(chǎn)維護(hù)和故障排查。

以下是參考IP地址分配范圍：

5 網(wǎng)絡(luò)安全管理

工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全是工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用必須考慮的另一個(gè)安全性問題。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。一般情況下，可以采用網(wǎng)關(guān)或防火墻等對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，還可以通過權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理。

在選型時(shí)盡量選擇具有網(wǎng)管功能的交換機(jī)。網(wǎng)管是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃、配置的工具，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有支持SNMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行管理、配置，在更改設(shè)備配置時(shí)只要在網(wǎng)管工作站對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行合適配置，通過網(wǎng)管工作站對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行日常管理、流量統(tǒng)計(jì)、故障分析等。設(shè)備控制網(wǎng)中所有光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)均支持Web管理。在網(wǎng)管工作站上使用瀏覽器通過光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的管理IP地址即可在圖形化界面上實(shí)現(xiàn)對(duì)交換機(jī)管理、配置和狀態(tài)的觀測(cè)。

如果項(xiàng)目成本允許，最好全網(wǎng)絡(luò)使用可網(wǎng)管交換機(jī)，這樣對(duì)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)有很大好處，可以通過網(wǎng)絡(luò)前期的規(guī)劃及設(shè)置避免很多故障發(fā)生。

在網(wǎng)絡(luò)投入運(yùn)行前要對(duì)所有有網(wǎng)絡(luò)需求的分包商及相關(guān)工程師進(jìn)行培訓(xùn)，對(duì)容易造成網(wǎng)絡(luò)故障的情況作特別說明，并提前指定懲罰措施，如發(fā)生IP地址設(shè)置錯(cuò)誤，Mac地址設(shè)備錯(cuò)誤，網(wǎng)線亂插造成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，要追究相關(guān)負(fù)責(zé)人的責(zé)任。

設(shè)備聯(lián)網(wǎng)要分步投入，保證在一個(gè)子系統(tǒng)檢查各項(xiàng)設(shè)置沒有問題時(shí)再接入主網(wǎng)，沒有確認(rèn)子網(wǎng)狀態(tài)時(shí)不將其連入主網(wǎng)。

常見問題如下：

（1）MAC 地址沖突

調(diào)試階段網(wǎng)絡(luò)啟用后，設(shè)備部分本來正常的連接變的很不穩(wěn)定，時(shí)通時(shí)斷，速度也不穩(wěn)定。由于部分工業(yè)設(shè)備的調(diào)試工具可以很方便的更改MAC地址，調(diào)試人員下載配置的時(shí)候?qū)⒁活愒O(shè)備設(shè)置成完全相同的MAC地址，有的非標(biāo)設(shè)備出廠時(shí)，廠家把產(chǎn)品的MAC地址也設(shè)置成完全一樣的，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常聯(lián)網(wǎng)使用。

（2）IP 地址沖突

在調(diào)試階段，設(shè)備調(diào)試人員使用的筆記本設(shè)置的IP地址和設(shè)備沖突。因此在設(shè)備調(diào)試前網(wǎng)管人員需要給調(diào)試工程師指定調(diào)試IP。

（3）網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓

調(diào)試人員插拔柜內(nèi)網(wǎng)線時(shí)，將網(wǎng)線和交換機(jī)形成了閉環(huán)，引發(fā)了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)突然癱瘓，網(wǎng)絡(luò)上各設(shè)備連接極其不穩(wěn)定。

（4）病毒攻擊

在互聯(lián)網(wǎng)上充斥著網(wǎng)絡(luò)病毒的襲擊。以蠕蟲病毒為例，這些蠕蟲病毒攻擊的直接目標(biāo)雖然通常是信息層網(wǎng)絡(luò)的PC機(jī)和服務(wù)器，但是攻擊是通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，因此當(dāng)這些蠕蟲病毒大規(guī)模爆發(fā)時(shí)，交換機(jī)、路由器會(huì)首先受到牽連。用戶只有通過重啟交換路由設(shè)備、重新配置訪問控制列表才能消除蠕蟲病毒對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備造成的影響。蠕蟲病毒攻擊能夠?qū)е抡麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由震蕩，這樣可能使上層的信息層網(wǎng)絡(luò)部分流量流入工業(yè)以太網(wǎng)，加大了它的通信負(fù)荷，影響其實(shí)時(shí)性。在控制層也存在不少計(jì)算機(jī)終端連接在工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，一旦終端感染病毒，病毒發(fā)作即使不能造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓，也可能會(huì)消耗帶寬和交換機(jī)資源。

6 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)以太網(wǎng)成本比相應(yīng)的商業(yè)產(chǎn)品要高一些，然而考慮到非預(yù)期的停機(jī)（產(chǎn)量損失、安全性降低和可能出現(xiàn)的設(shè)備損壞）所帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失，使用較高的價(jià)格購(gòu)買頂級(jí)品質(zhì)的工業(yè)級(jí)交換機(jī)能夠帶來高效的回報(bào)，因?yàn)槠渚哂懈叻€(wěn)定性、最大化的使用壽命以及超高的性能。工業(yè)以太網(wǎng)開始在監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)上逐漸占據(jù)主流位置，正在向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)滲透，在工業(yè)領(lǐng)域的作用越來越舉足輕重。

[責(zé)任編輯：王偉平]