工控環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1 引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，帶動(dòng)了工業(yè)自動(dòng)化的快速發(fā)展。迄今為止，工業(yè)控制中利用計(jì)算機(jī)采集和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變得越來越重要，遍布整個(gè)工廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過集成化智能IO單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，采樣到的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過控制網(wǎng)絡(luò)一方面供給操作人員進(jìn)行工藝參數(shù)監(jiān)控和調(diào)配，另一方面通過管理網(wǎng)絡(luò)向工廠管理者提供數(shù)據(jù)比對(duì)和決策分析。如此地理分散的數(shù)據(jù)能得以集中監(jiān)視和準(zhǔn)確控制，必須依賴可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此構(gòu)建適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)顯得尤為重要，通常采用的工控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)。

當(dāng)前工控系統(tǒng)典型的三層式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，第一層為設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)(Devicenet)，第二層為控制層網(wǎng)絡(luò)(Contro1)，第三層為管理層網(wǎng)絡(luò)(Management)。網(wǎng)絡(luò)層級(jí)不同，完成的功能以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不盡相同， 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就是在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的一個(gè)物理設(shè)備， 如現(xiàn)場(chǎng)儀表、10單元、交換機(jī)、防火墻、各種控制器(FCS、FDAS、DCS、PLC)、服務(wù)器、操作站等都是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

2 各層級(jí)網(wǎng)絡(luò)釋義

2.1 設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)

第一層網(wǎng)絡(luò)為設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)：該層網(wǎng)絡(luò)通常包含現(xiàn)場(chǎng)控制站如DCS、FCS、PLC、FDAS等，現(xiàn)場(chǎng)控制站通過集成化的10單元直接連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如：流量計(jì)、壓力變送器、溫度變送器、熱電阻、熱電偶、調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)機(jī)等。物理接口通常為開放的的智能IO單元或現(xiàn)場(chǎng)總線如FF—BUS(基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線)、CAN—BUS(控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線)，通訊協(xié)議通常為PROFIBUS—DP、MODBUS、HART等，該層網(wǎng)絡(luò)直接采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)到現(xiàn)場(chǎng)控制站FCS或DCS或PLC控制系統(tǒng)。從而完成整個(gè)工控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的基本數(shù)據(jù)采集，是上級(jí)網(wǎng)絡(luò)能夠正確下發(fā)控制指令、進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度的重要數(shù)據(jù)源。

為保證數(shù)據(jù)采集精確可靠，該層網(wǎng)絡(luò)通常采用兩重冗余的控制器和雙網(wǎng)甚至四網(wǎng)的物理容錯(cuò)方式，同時(shí)控制器內(nèi)置智能故障處理機(jī)制，即只要通鏈路發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障如數(shù)據(jù)流擁堵、網(wǎng)卡故障、網(wǎng)線故障， 控制器就可智能切換到備用通訊鏈路，確保數(shù)據(jù)采集不因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障而中斷。

2.2 控制層網(wǎng)絡(luò)

第二層網(wǎng)絡(luò)為控制網(wǎng)： 該層網(wǎng)絡(luò)通常包含了工程師站ENS、服務(wù)器／操作員站SERVER／OPS以及交換機(jī)Exchanger和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)DCS、FCS、PLC等。工控網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)整體，不能拆分理解，因此各層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一定有所重疊，如現(xiàn)場(chǎng)控制站既是第一層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備又是第二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，同樣如交換機(jī)、防火墻等歸屬情形也是類似。

該層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中服務(wù)器負(fù)責(zé)接受來自現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并下發(fā)給操作站，操作員根據(jù)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)工況，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)并通過服務(wù)器傳遞控制指令到控制系統(tǒng)如DCS或PLC等，這樣確保操作員能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)工況調(diào)整 本層網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議一般為TCP／IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)物理冗余，即通過2個(gè)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)2個(gè)網(wǎng)段4條以太網(wǎng)通訊鏈路。

其實(shí)現(xiàn)方法為首先定義交換機(jī)A對(duì)應(yīng)控制層網(wǎng)段如i30．0．0．X對(duì)應(yīng)設(shè)備層網(wǎng)段為128．0．0．X，交換機(jī)B對(duì)應(yīng)控制層網(wǎng)段為13i.0．0．x對(duì)應(yīng)設(shè)備層網(wǎng)段為129．0．0．X，這樣定義后在第一和第二層網(wǎng)絡(luò)間分別有2個(gè)網(wǎng)段，物理上形成4條以太網(wǎng)鏈路。

設(shè)備層控制系統(tǒng)~nDCS、PLC、FCS、FDAS等一般為每個(gè)網(wǎng)段2個(gè)物理網(wǎng)卡，即128網(wǎng)段2個(gè)網(wǎng)卡，2條以太網(wǎng)鏈路；129網(wǎng)段2個(gè)網(wǎng)卡，2條以太網(wǎng)鏈路?？刂茖釉O(shè)備如工程師站、服務(wù)器、操作員站在中小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中一般每個(gè)網(wǎng)段配置1個(gè)網(wǎng)卡，即130網(wǎng)段對(duì)應(yīng)1個(gè)網(wǎng)卡，1條以太網(wǎng)鏈路；131網(wǎng)段對(duì)應(yīng)1個(gè)網(wǎng)卡，1條以太網(wǎng)鏈路。

這樣對(duì)于控制層就只有2條物理鏈路，因此需要通過IP軟綁定來實(shí)現(xiàn)4條物理鏈路。具體方法為在服務(wù)器和工程師站的IP屬性中通過“高級(jí)TCP／IP設(shè)置”項(xiàng)對(duì)每個(gè)網(wǎng)段進(jìn)行一個(gè)軟綁定，即l30網(wǎng)段綁定128網(wǎng)段，l31網(wǎng)段綁定l29網(wǎng)段，這樣對(duì)于物理上只有2個(gè)網(wǎng)卡的工程師站、服務(wù)器等同樣實(shí)現(xiàn)了邏輯上的4條以太網(wǎng)鏈路，這是本文所述的中小規(guī)模工控環(huán)境下雙網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)4條冗余網(wǎng)絡(luò)鏈路的技術(shù)關(guān)鍵，在當(dāng)前主流控制系統(tǒng)廠商中廣為使用，典型的如和利時(shí)公司的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。當(dāng)然了如果是大型工控網(wǎng)絡(luò)，在硬件配置上網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不會(huì)如本文所述方法實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)鏈路冗余。

在大型裝置和極其重要的工控環(huán)境下，工程師站、服務(wù)器等主要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)相應(yīng)增加網(wǎng)卡配置即每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置4個(gè)網(wǎng)卡，每個(gè)網(wǎng)卡對(duì)應(yīng)一個(gè)網(wǎng)段從而實(shí)現(xiàn)物理上條物理以太網(wǎng)鏈路 這樣的配置下交換機(jī)也會(huì)增加到4個(gè)，4個(gè)交換機(jī)分別設(shè)定網(wǎng)段為128、129、130、131網(wǎng)段，形成真正意義上的4條以太網(wǎng)物理鏈路。節(jié)點(diǎn)4網(wǎng)卡和4個(gè)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)配置在常規(guī)項(xiàng)目實(shí)施中并不多見，實(shí)現(xiàn)方法本文不再贅述。

2.3 管理層網(wǎng)絡(luò)

第三層網(wǎng)絡(luò)為管理網(wǎng)： 作為工廠信息管理系統(tǒng) 3的傳輸網(wǎng)絡(luò)， 該層網(wǎng)絡(luò)通常由各種功能的計(jì)算機(jī)構(gòu)成， 網(wǎng)絡(luò)層級(jí)連設(shè)備增加了防火墻， 目的是通過防火墻把工控網(wǎng)絡(luò)同外部管理

網(wǎng)絡(luò)隔離開來， 防止外部網(wǎng)絡(luò)對(duì)生產(chǎn)工況造成不必要的外部干擾。如病毒攻擊、木馬侵入、人員誤操等外部不利因素。該層網(wǎng)絡(luò)物理接口通常為OPC接口、MOXA卡串口或以太網(wǎng)RJ45口， 通訊協(xié)議通常為TCP／IP協(xié)議或OPC協(xié)議或MODUBUS協(xié)議，取決于各功能計(jì)算機(jī)的管理軟件。

該層網(wǎng)絡(luò)常見功能如辦公自動(dòng)化OA、企業(yè)資源配置ERP、生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES等，根據(jù)所需功能配置相應(yīng)的管理軟件，每個(gè)軟件有不同的通訊協(xié)議，對(duì)應(yīng)不同的物理接r1。通過開放式通訊協(xié)議該層網(wǎng)絡(luò)從控制網(wǎng)絡(luò)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)， 并通過軟件自身的功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比，最終形成輔助工廠管理的決策數(shù)據(jù)。

軟件通常包含的功能塊圍繞工廠的人、機(jī)、料、法、環(huán)生產(chǎn)要素進(jìn)行配置， 從人力資源、機(jī)具配置、材料倉(cāng)儲(chǔ)等角度對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理最終形成工廠管理方法和決策數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)廣泛應(yīng)用于中小企業(yè)工廠的工控環(huán)境， 各層級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用不同的開放式通訊協(xié)議和物理接口，使得網(wǎng)絡(luò)互連成為可能。中小規(guī)模的工控網(wǎng)絡(luò)大多采用這種系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，易于構(gòu)建和成本低廉。實(shí)施重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選型，突破點(diǎn)在于物理接口受限條件下如何構(gòu)建多重通訊鏈路的解決方法， 本文詳述了通過設(shè)定IP軟綁定，實(shí)現(xiàn)了雙網(wǎng)卡下的4網(wǎng)段通訊鏈路設(shè)置， 對(duì)于實(shí)施三層工控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有非常重要的指導(dǎo)意義。