工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛以及支持技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，已成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一。?

近些年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)進(jìn)入了控制領(lǐng)域，形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這主要是由于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展，開(kāi)放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。?

以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯。?工業(yè)以太網(wǎng)制造現(xiàn)在信息的強(qiáng)大性跟控制的快捷性，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的串聯(lián)跟控制，為現(xiàn)代工業(yè)制造實(shí)現(xiàn)真正意義上的“E網(wǎng)到底”奠定了良好的基礎(chǔ)。?

工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是未來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，也是當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線中的主流技術(shù)。工業(yè)化的新翹楚就由此誕生。?

不管“工業(yè)4.0“還是“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”其技術(shù)本質(zhì)都是自動(dòng)化與信息化的深度融合。在融合的過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)會(huì)不斷地增長(zhǎng)。不斷增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法提出了新的挑戰(zhàn)。

目前實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)--般由控制工程師成設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)性能主要由控制工程師經(jīng)驗(yàn)決定。但是隨著網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度增加，這難以保持高效與可靠。在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，如何確定網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸變得非常的棘手。并且，小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中獲取的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)未必適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)?？刂乒こ處熢O(shè)計(jì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)需要保障網(wǎng)絡(luò)QoS性能，避免工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的性能成為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)性能的瓶頸。

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有價(jià)格低廉、安穩(wěn)牢靠、通訊速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、運(yùn)用廣泛以及支持技術(shù)成熟等長(zhǎng)處，已成為最受歡迎的通訊網(wǎng)絡(luò)之一。近些年來(lái)，跟著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開(kāi)展，以太網(wǎng)進(jìn)入了操控范疇，形成了新式的以太網(wǎng)操控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這主要是由于工業(yè)自動(dòng)化體系向散布化、智能化操控方面開(kāi)展，敞開(kāi)的、透明的通訊協(xié)議是必定的要求。以太網(wǎng)技術(shù)引進(jìn)工業(yè)操控范疇，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分顯著。 工業(yè)以太網(wǎng)制作現(xiàn)在信息的強(qiáng)壯性跟操控的方便性，能夠完成快速的串聯(lián)跟操控，為現(xiàn)代工業(yè)制作完成真實(shí)意義上的“一網(wǎng)到底”奠定了優(yōu)良的基礎(chǔ)。工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)已被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是未來(lái)操控網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，也是當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線中的主流技術(shù)（如下圖1是工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)操控體系的各個(gè)層級(jí)的運(yùn)用）。

圖1、工業(yè)以太網(wǎng)在自動(dòng)化系統(tǒng)各個(gè)層級(jí)的應(yīng)用

在上圖中雖然從網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)上在自動(dòng)化系統(tǒng)的各個(gè)層級(jí)都可以是以太網(wǎng)，但在各個(gè)層級(jí)上的以太網(wǎng)上運(yùn)行的協(xié)議并不相同，這是由于控制系統(tǒng)的應(yīng)用決定的。在控制系統(tǒng)的各個(gè)層級(jí)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、響應(yīng)時(shí)間、傳輸?shù)念l次等的要求如下圖2所示。

圖2、控制系統(tǒng)各個(gè)層級(jí)的不同要求

控制系統(tǒng)各個(gè)層級(jí)的不同要求，使得工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃不能簡(jiǎn)單地復(fù)制IT網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。對(duì)自動(dòng)化的控制網(wǎng)絡(luò)不但考慮網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模的大小，還需要考慮自動(dòng)化不同層級(jí)的特點(diǎn)。

所以對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，可以從如下的幾個(gè)角度去規(guī)劃和設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，如下圖3所示。

圖3、自動(dòng)化系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)的考慮因素

一、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模/網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多少來(lái)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)

既然工業(yè)以太網(wǎng)是由以太網(wǎng)發(fā)展而來(lái)，所以工業(yè)以太網(wǎng)具有以太網(wǎng)的一些特點(diǎn)。對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)的規(guī)劃可以參考IT網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的一些原則（這是工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)劃考慮的一個(gè)方面）。對(duì)于IT網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃往往是從網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小來(lái)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于一個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)可能只規(guī)劃一個(gè)廣播域即可；而對(duì)于大型的網(wǎng)絡(luò)則需要規(guī)劃多個(gè)廣播域如下圖4和下圖5所示。

圖4、小型網(wǎng)絡(luò)采用扁平的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖5、大型網(wǎng)絡(luò)采用分層/分廣播域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

上面的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃采用的以太網(wǎng)的星型和線性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，若需要更高的網(wǎng)絡(luò)可用性可采用冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（環(huán)型或網(wǎng)狀型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）?？紤]使用何種網(wǎng)絡(luò)冗余架構(gòu)還需要結(jié)合對(duì)實(shí)時(shí)性的要求來(lái)考慮。在工業(yè)控制層比較多的使用的是環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的可用性，如下圖6的示例。

圖6、環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高可用性

二、根據(jù)自動(dòng)化的層級(jí)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)

如圖1所示自動(dòng)化系統(tǒng)的層級(jí)架構(gòu)，由于各層級(jí)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、響應(yīng)時(shí)間、傳輸?shù)念l次等有不同的需求（如圖2所示），所以需要按照層級(jí)來(lái)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)，這樣可保證每個(gè)層級(jí)相對(duì)的獨(dú)立性（各通信協(xié)議互不影響）。此時(shí)可能的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案如下圖7所示。

圖7、根據(jù)自動(dòng)化層級(jí)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)

按照?qǐng)D7的規(guī)劃方式可以有效實(shí)現(xiàn)控制層級(jí)的數(shù)據(jù)流不會(huì)進(jìn)入到現(xiàn)場(chǎng)層級(jí)的網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)而保證現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能不受其它層級(jí)的數(shù)據(jù)流的影響。從物理上保證了每個(gè)層級(jí)相對(duì)獨(dú)立性。

三、根據(jù)通信業(yè)務(wù)流類型規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)

在相同的層級(jí)中也會(huì)存在著不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，它們對(duì)實(shí)時(shí)性的要求可能相同也可能不同。如下圖8所示。它們對(duì)實(shí)時(shí)性的要求相同但它們又屬于不同的業(yè)務(wù)流。

圖8、同一層級(jí)的不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流

圖9、按照不同的業(yè)務(wù)流規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)

四、根據(jù)設(shè)備的地理分布情況規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)

在現(xiàn)場(chǎng)中根據(jù)工業(yè)的需求設(shè)備會(huì)安裝在不同的位置，將這些分布在不同地理位置上的設(shè)備連網(wǎng)。考慮的節(jié)約成本且使各工藝段的網(wǎng)絡(luò)相對(duì)清晰往往會(huì)按如圖10、圖11和圖12的方式來(lái)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)。

圖10、設(shè)備控制柜的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

圖11、自動(dòng)化單元間的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

圖12、各工廠之間的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

五、根據(jù)工業(yè)信息安全的需求規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)

由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷增大，所以對(duì)各層級(jí)的網(wǎng)絡(luò)資源的訪問(wèn)應(yīng)該通過(guò)一種有效的方式控制。這樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流只允許在允許的范圍內(nèi)流動(dòng)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效的流量管控。那么這種有效的方式就是網(wǎng)絡(luò)從信息安全的角度來(lái)規(guī)劃如下圖13所示。

在網(wǎng)絡(luò)中增加一些安全設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的控制。

對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃不能從上面所述的這幾個(gè)方面的某一方面考慮，而是需要全面地綜合上述的這些因素來(lái)規(guī)劃出一個(gè)合理高效的網(wǎng)絡(luò)。

工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃總的原則如下：

（1）在項(xiàng)目的起始階段進(jìn)行合理的規(guī)劃，考慮系統(tǒng)層面的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，以獲得更好的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，節(jié)省設(shè)備的投資成本和網(wǎng)絡(luò)安裝調(diào)試的時(shí)間成本。

（2）合理的使用樹形拓?fù)浞指罹W(wǎng)絡(luò)沖突域，盡量不要使用交換機(jī)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，因?yàn)閿?shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中傳遞時(shí)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)交換機(jī)，延遲的時(shí)間就要積累下來(lái)。

（3）使用樹形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)時(shí)，按照現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信關(guān)系組網(wǎng)。相互之間通信流量比較大的兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備盡可能分布到同一個(gè)子網(wǎng)，使子網(wǎng)內(nèi)的通信流量盡可能大，跨越頂級(jí)交換機(jī)的兩個(gè)子網(wǎng)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀盡可能少，這樣可以有效減小網(wǎng)絡(luò)端到端的延遲。

（4）局部的網(wǎng)絡(luò)擁塞有可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸，因此各子網(wǎng)通過(guò)頂級(jí)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的流量要盡可能均衡分布。