張宏松

【摘要】通過運用科學(xué)技術(shù)，從而搭建起一個工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)，可以有效保障工廠的網(wǎng)絡(luò)通信安全以及管理安全?；诖耍疚膶闹悄芄S的視域入手，將工廠實際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、建設(shè)原則、功能需求作為依據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)做出合理設(shè)計，將智能工廠設(shè)計廠區(qū)方案提出來，并且給予同工廠實際狀況相符的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計方案與通信組網(wǎng)方式。

【關(guān)鍵詞】智能工廠;工業(yè)信息;網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);設(shè)計? ? 【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.36.005

現(xiàn)如今，我國正在迅速研發(fā)與推廣工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在工業(yè)控制方面，已經(jīng)對網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高、更嚴(yán)格的要求，對于大型智能工廠而言，想要實現(xiàn)集成化的管理與自動化的運行，就必須要采取健全的工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行支撐。在生產(chǎn)線視域下，分析并設(shè)計工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)方案的過程中，需要對工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所起到的重要價值有深入的分析。在應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)的案例中，對工業(yè)領(lǐng)域中工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)較為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌湫蛻?yīng)用做出闡述。本文將根據(jù)智能工廠所提出的工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)需求，對生產(chǎn)層與控制層進(jìn)行深入分析，掌握工控網(wǎng)系統(tǒng)的運行特點。并針對工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)運行的實時性、穩(wěn)定性與安全性等現(xiàn)象，提出相關(guān)的處理方案。

1 工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)需求分析及建設(shè)原則

1.1 智能工廠信息網(wǎng)絡(luò)需求分析

針對于智能工廠的信息網(wǎng)絡(luò)而言，主要同現(xiàn)場的企業(yè)管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、人機界面、控制器以及工藝單元相連，屬于智能工廠生產(chǎn)系統(tǒng)中至關(guān)重要的傳輸信息、數(shù)據(jù)通道，同樣，也是確保可以安全、穩(wěn)定運行生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為了對網(wǎng)絡(luò)中鏈路、節(jié)點設(shè)施在故障問題下可以展開網(wǎng)絡(luò)通信做出保障，首先，必須要對鏈路冗余以及設(shè)施冗余做出考量;其次，必須要對信息網(wǎng)路的安全性投入高度的重視，安全隔離工廠生產(chǎn)管理層網(wǎng)絡(luò)以及生產(chǎn)控制層網(wǎng)絡(luò)，并且在傳輸數(shù)據(jù)、信息時，需要做好加密工作。每一個工藝單元都只可以同控制中心確立通信，不同的工藝單元之間不可通信，以減少無線網(wǎng)絡(luò)惡意接入問題的發(fā)生，對無線通信中數(shù)據(jù)、信息的可靠與安全傳輸做出保障。

1.2 工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)原則

所謂的智能工廠工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)，屬于一個實用性、可靠性、安全性、高效性、先進(jìn)性的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須要對以下幾個要求有所滿足：

第一，先進(jìn)性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須要具備較高的先進(jìn)性，最好選取業(yè)內(nèi)公認(rèn)較為先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)施，通過現(xiàn)代先進(jìn)管理技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)而對系統(tǒng)的科學(xué)性做出保障。

第二，開放性。網(wǎng)絡(luò)必須要擁有較高的開放性，同其他網(wǎng)絡(luò)之間可以達(dá)成更高的互聯(lián)性。

第三，安全性。對網(wǎng)絡(luò)中工程師站、PLC等設(shè)施不會遭受惡意攻擊做出保證，同時，各個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部可以安全隔離不同層的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

第四，可靠性。積極采取先進(jìn)、成熟技術(shù)，針對于關(guān)鍵部分，必須要具備充足的備份冗余，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要擁有容錯性能。

第五，可管理性。建設(shè)網(wǎng)絡(luò)必須要對可管理網(wǎng)絡(luò)運行做出保障。能夠?qū)崟r監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)性能、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯栴}，并且對網(wǎng)絡(luò)故障做出快速診斷。

第六，經(jīng)濟性。在系統(tǒng)需求滿足的條件下，對投資做出節(jié)約，選取具備較高性價比的設(shè)施。

2 智能工廠設(shè)計方案

2.1 工廠網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求與分析

在智能工廠中，主要包含部分為生產(chǎn)工藝單元、控制中心以及生產(chǎn)管理區(qū)。針對于生產(chǎn)管理區(qū)而言，其中主要安裝生產(chǎn)管理系統(tǒng)，并且同控制中心之間展開雙向通信;針對于控制中心而言，主要包括PLC、操作員站以及工程師站。其中，PLC的作用便是對各個工藝單元之間的生產(chǎn)做出協(xié)調(diào)與管控，操作員站能夠?qū)\行工廠網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)做出監(jiān)視，并且，可以將生產(chǎn)數(shù)據(jù)、信息儲存于操作員站。而不同的工藝單元，以直線的方式排列，各個工藝單元均配有一個PLC，可以將工藝單元內(nèi)部生產(chǎn)操作加工控制中加以運用，并且，同控制中心PLC展開通信，而各個工藝單元之間不可通信。為了對整體網(wǎng)絡(luò)的可靠性做出保障，需要對工廠網(wǎng)絡(luò)的自愈性、冗余度做出詳細(xì)考量。

在智能工廠中，其通信網(wǎng)絡(luò)普遍由生產(chǎn)線、控制中心、生產(chǎn)管理區(qū)3個層次組成。以某工廠為例，共計具備生產(chǎn)線6條，均采取直線的形式逐一排列，每一條生產(chǎn)線均為200m的長度，各個生產(chǎn)線保持首尾相連?？刂浦行呐c每條生產(chǎn)線采取有線方法展開通信。另外，同第一個工藝單元靠近，保持100m垂直距離的控制中心內(nèi)部配置PROFINETI/O控制器同工藝單元中PROFINETI/0設(shè)施展開數(shù)據(jù)的實時共享。除此以外，控制中心所設(shè)置的操作員站、工程師站，可以對運行工廠網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，同時，操作員站可以對生產(chǎn)數(shù)據(jù)做出儲存。另外，與控制中心靠近50m垂直距離的生產(chǎn)管理區(qū)內(nèi)安裝生產(chǎn)管理系統(tǒng)，同控制中心展開有線、雙向通信。并且，遠(yuǎn)程維護工作站可以利用控制中心同工廠Internet建設(shè)可靠、安全連接，必要的情況下，維護生產(chǎn)控制系統(tǒng)程序。

2.2 工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)功能需求

第一，網(wǎng)絡(luò)冗余。為了對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)施與鏈路故障發(fā)生期間依然能夠網(wǎng)絡(luò)通信做出保障，必須要對鏈路冗余、設(shè)施冗余做出考量。

第二，安全性。安全隔離生產(chǎn)管理層網(wǎng)絡(luò)以及工廠生產(chǎn)控制層網(wǎng)絡(luò)，傳輸數(shù)據(jù)需加密。利用控制中心、工廠Internet連接遠(yuǎn)程維護工作站，傳輸數(shù)據(jù)需加密。每一個工藝單元都只可以同控制中心確立通信，不同的工藝單元之間不可通信，以減少無線網(wǎng)絡(luò)惡意接入問題的發(fā)生，對無線通信中數(shù)據(jù)、信息的可靠與安全傳輸做出保障。

第三，整體IP規(guī)劃。對整體系統(tǒng)的IP規(guī)劃做出考量，包含所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施代理IP地址、終端IP地址。

2.3 工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需求

第一，網(wǎng)絡(luò)冗余。在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)冗余屬于關(guān)鍵的保障措施之一。身為一種迅速反應(yīng)的備份系統(tǒng)，將意外中斷風(fēng)險減輕是其主要的目標(biāo)，通過對生產(chǎn)連續(xù)即時響應(yīng)，進(jìn)而實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)流上任何一點失效所產(chǎn)生的影響有效降低。同時，網(wǎng)絡(luò)主要是通過各個設(shè)施、節(jié)電設(shè)備之間的連接構(gòu)成。針對于網(wǎng)絡(luò)故障而言，主要包含鏈路故障、節(jié)點設(shè)施故障兩種。由此可見，必須要在網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、鏈路上均開展冗余，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余度的提升，進(jìn)而將網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可靠性。

第二，IP規(guī)劃。在規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡(luò)期間，IP地址方案的合理性不僅可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減少，還可以為擴展網(wǎng)絡(luò)奠定堅實的基礎(chǔ)。對IP地址合理規(guī)劃，是對有效使用網(wǎng)絡(luò)資源、順利運行網(wǎng)絡(luò)做出保障的重要因素。在層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，連續(xù)地址的疊合更為便利，可以實現(xiàn)路由表的大幅度縮減。同時，能夠?qū)崿F(xiàn)算法效率的提高。由此可見，必須要將連續(xù)IP地址配置于同一層次的網(wǎng)絡(luò)中。在每一層次分配地址時，都必須要具備余量，在擴展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模期間，需要對疊合地址所需要的連續(xù)性做出保障。同時，將網(wǎng)絡(luò)中層次、設(shè)施數(shù)量作為依據(jù)，劃分出一個私有地址。

2.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案期間，工廠存在較為顯著的網(wǎng)絡(luò)分塊，通常的情況下，能夠劃分為無線覆蓋層、生產(chǎn)管理區(qū)接入層、生產(chǎn)線接入層、生產(chǎn)線匯聚層、控制中心覆蓋層。將廠區(qū)實際的需求作為依據(jù)，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星型環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時，利用千兆光纖冗余環(huán)網(wǎng)作為匯聚層網(wǎng)絡(luò)，從而將鏈路冗余得以實現(xiàn)。所謂的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就是對傳輸媒體加以運用，進(jìn)而于各種設(shè)施物理布局相連，換而言之，就是通過某種方法，連接起網(wǎng)絡(luò)中計算機等設(shè)施?？偩€結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)屬于較為常見的結(jié)構(gòu)。在本文中，主要采取星型環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而在匯聚層中形成環(huán)網(wǎng)，以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將接入層接入環(huán)中。此星型環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體可靠性的提升，同時，也將網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間減少。

2.5 網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)與故障處理

1.網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)

在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)IP期間，所有設(shè)施采取B類私有地址塊181.1.0.0/16，劃分此地址塊為諸多個干子網(wǎng)。信息安全模塊、交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施代替IP采取地址塊181.1.0.0/24，PROFINETI/0、操作員站、工程師站、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、PROFINETI/0控制器分別采取181.1.5.0/24、181.1.4.0/24、181.1.3.0/24、181.1.2.0/24、181.1.1.0/24私有地址塊。

2.匯聚層網(wǎng)絡(luò)故障

如果匯聚層有光線斷線問題發(fā)生，那么系統(tǒng)則會將匯聚層交換機中所配置的HRP協(xié)議作為依據(jù)，將備用鏈路自動啟動，確?？梢栽?00ms里，達(dá)成重組網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)的變化不會對連接的數(shù)據(jù)終端造成影響，而對于各工藝單元之間的生產(chǎn)而言，能夠采取控制中心PLC做出協(xié)調(diào)與管控。在故障發(fā)生于匯聚層交換機期間，雖然已經(jīng)斷開建設(shè)的環(huán)網(wǎng)，在2臺生產(chǎn)線主交換機中連接接入層交換機，由于端口做出了冗余，所以，網(wǎng)絡(luò)依然還可以持續(xù)運作。

3.接入層網(wǎng)絡(luò)故障

如果生產(chǎn)線主交換機、生產(chǎn)線接入層交換機有斷線問題發(fā)生，則接入層交換機需要采取交換機的端口冗余機制，將切換硬件故障實現(xiàn)，如果一條鏈路有中斷問題發(fā)生，其余鏈路則負(fù)責(zé)此生產(chǎn)線所有的通信傳輸。

如果故障發(fā)生于生產(chǎn)線接入層交換機，針對這一情況，可以利用相鄰的工藝單元無線AP將無線客戶端接入主網(wǎng)絡(luò)中，只有部分工藝單元可能無法順利接入網(wǎng)絡(luò)。

如果控制中心與生產(chǎn)管理區(qū)之間有電纜出現(xiàn)斷線事故，也需要將鏈路聚合的原理作為依據(jù)，從而降低帶寬為以往的一半，確保不會對正常通信造成影響。

3 結(jié)語

綜合上述的分析而言，智能工廠保障信息安全、實現(xiàn)可靠運行的關(guān)鍵因素在于工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案與鏈路存在冗余設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)可靠性的提升。在工廠信息安全方面，此設(shè)計方案主要運用ACL訪問技術(shù)，可以將外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行隔離，并且對惡意接入無線網(wǎng)絡(luò)以及工藝單元問題做出有效規(guī)避，整體的設(shè)計方案可以對智能工廠的生產(chǎn)需求與通信需求做出全面滿足。

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