基于西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的智能工廠網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實施方案摘要為了適用于嚴格的產(chǎn)業(yè)情況，確保產(chǎn)業(yè)的安全可靠，SIMATICNET為以太網(wǎng)工藝彌補了很多主要的機能。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)搭建的網(wǎng)絡(luò)是一個較于從前的現(xiàn)場總線模式更先進的、高效的、安全的、可靠的、實用的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)。而本文則是以設(shè)計一條擁有六個工藝單元的產(chǎn)線及控制中心和生產(chǎn)管理區(qū)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)作為設(shè)計。本設(shè)計包括了以管理型交換機和非管理型交換機為節(jié)點的雙環(huán)網(wǎng)冗余機制及登錄白名單的設(shè)置。如果當生產(chǎn)區(qū)任何一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)生故障時，冗余機制啟動，通訊能在300ms內(nèi)回復(fù)，并且在環(huán)網(wǎng)斷開時通過指示燈發(fā)出警報，將其錯誤信息發(fā)送給上位機。而網(wǎng)絡(luò)登錄白名單限定上位機網(wǎng)絡(luò)的IP地址，及登錄的賬號密碼。關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；交換機；冗余機制目錄1.本文的主要設(shè)計內(nèi)容 41.1產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)布局分析 41.2生產(chǎn)管理區(qū)匯聚層網(wǎng)絡(luò)布局 錯誤!未定義書簽。1.3控制中心匯聚層網(wǎng)絡(luò)布局 錯誤!未定義書簽。1.4生產(chǎn)線匯聚層網(wǎng)絡(luò)布局 錯誤!未定義書簽。1.5工廠需求 51.6設(shè)計方法 52.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計 62.1網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計 62.2網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分析 62.3控制中心匯聚層結(jié)構(gòu)設(shè)計 72.4生產(chǎn)線匯聚層結(jié)構(gòu)設(shè)計 72.5接入層結(jié)構(gòu)設(shè)計 72.6工業(yè)信息安全策略設(shè)計（基于白名單的入侵過濾設(shè)計） 83.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)故障分析 83.1匯聚層網(wǎng)絡(luò)故障 83.2匯聚層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障 93.3接入層網(wǎng)絡(luò)故障 104.系統(tǒng)實施方案 105.通訊及功能測試 11結(jié)論 11參考文獻 12致謝 121.本文的主要設(shè)計背景及意義圖1-1工廠布置示意圖工廠布置示意圖如圖1所示，主要包含生產(chǎn)管理區(qū)、控制中心和產(chǎn)線3個部分。6個工藝單元首尾相連構(gòu)成一條產(chǎn)線。工藝單元1-3各包含兩個PLC，工藝單元4-6各包含一個PLC，用于控制工藝單元內(nèi)部生產(chǎn)加工操作。工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，如沖動、噪音、腐蝕、粉塵等等，常常會使站點網(wǎng)絡(luò)節(jié)點故障。操作員可以在控制中心操作員站上可以監(jiān)視整個工廠網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)，如果有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點故障，可以立刻維修?？刂浦行摹a(chǎn)線及其之間的網(wǎng)絡(luò)稱為生產(chǎn)控制層網(wǎng)絡(luò)。生產(chǎn)管理區(qū)中安裝有生產(chǎn)管理系統(tǒng)，與控制中心進行通訊。2．設(shè)計內(nèi)容工廠網(wǎng)絡(luò)可劃分為，匯聚層網(wǎng)絡(luò)（包含生產(chǎn)管理區(qū)設(shè)備、控制中心設(shè)備、生產(chǎn)線延伸交換機、生產(chǎn)線主交換機）、接入層網(wǎng)絡(luò)（生產(chǎn)線接入層交換機）。生產(chǎn)管理區(qū)匯聚層包括兩臺三層交換機生產(chǎn)管理系統(tǒng)。布局通過使用兩臺交換機實現(xiàn)設(shè)備雙機熱備冗余，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和適用性。控制中心匯聚層包括十二臺三層交換機、工程師站和操作員站。布局通過使用十二臺交換機實現(xiàn)設(shè)備雙環(huán)網(wǎng)冗余，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。十二臺三層交換機分別與控制中心內(nèi)的工程師站和操作員站的交換機連接。根據(jù)廠區(qū)綜合布局需求，距離控制中心100米處，沿首條生產(chǎn)線起，每個工藝單元起點處設(shè)置生產(chǎn)線主交換機，并在第6個工藝單元尾端裝設(shè)生產(chǎn)線主交換機，生產(chǎn)線主交換機之間通過光纖連接。為提高匯聚層網(wǎng)絡(luò)可靠性，設(shè)計中使用雙層環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，充分考慮其冗余度。由于在環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中生產(chǎn)線6與控制中心之間的距離超出了千兆多模光纖的最大傳輸距離750米，因此需要在兩者之間添加生產(chǎn)線延伸交換機來解決光纖的最大距離傳輸問題。生產(chǎn)線匯聚層網(wǎng)絡(luò)布局圖如圖1所示圖1生產(chǎn)線匯聚層網(wǎng)絡(luò)布局圖2.1工廠需求含生產(chǎn)管理區(qū)、控制中心和產(chǎn)線3個部分。6個工藝單元按直線首尾相連排列，構(gòu)成一條產(chǎn)線。工藝單元1-3各包含兩個PLC，工藝單元4-6各包含一個PLC，用于控制工藝單元內(nèi)部生產(chǎn)加工操作?？刂浦行闹饕こ處熣尽⒉僮鲉T站。在控制中心操作員站上可以監(jiān)視工廠網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)?？刂浦行?、產(chǎn)線及其之間的網(wǎng)絡(luò)稱為生產(chǎn)控制層網(wǎng)絡(luò)。生產(chǎn)管理區(qū)中安裝有生產(chǎn)管理系統(tǒng)，與控制中心進行通訊。生產(chǎn)管理區(qū)的網(wǎng)絡(luò)稱為生產(chǎn)管理層網(wǎng)絡(luò)。為保證整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性，在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，充分考慮網(wǎng)絡(luò)的冗余度。2.1設(shè)計方法本方案圍繞通過對生產(chǎn)線plc的控制管理和對plc的實時監(jiān)控這一目的展開設(shè)計。對廠區(qū)匯聚層網(wǎng)絡(luò)進行雙環(huán)網(wǎng)冗余設(shè)計。當匯聚層網(wǎng)絡(luò)某一層的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)生故障時，產(chǎn)線各個站點還可以進行信息交互，增加系統(tǒng)的可靠性。當系統(tǒng)某一發(fā)生故障時，冗余配置的另一部件介入并承擔故障節(jié)點的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時間。3.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點之間互聯(lián)的構(gòu)型，其中環(huán)型結(jié)構(gòu)和星型結(jié)構(gòu)在企業(yè)網(wǎng)中使用較多。環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)是指從一個站點到另一個站點，直到將所有站點連成環(huán)型，消除了站點信息交互時對于上一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的依賴性；根據(jù)工廠需求，對廠區(qū)匯聚層網(wǎng)絡(luò)進行雙環(huán)網(wǎng)冗余設(shè)計，該環(huán)型結(jié)構(gòu)的特點是不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，也提高整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性，具體網(wǎng)絡(luò)拓撲圖見圖3-1。圖3-1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲3.2網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分析在該方案網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計中，根據(jù)甲方“千兆匯聚，百兆接入”的要求，采用分層設(shè)計方法，將網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)化整為零，分層討論并設(shè)計。將網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)劃分控制中心匯聚層、生產(chǎn)線匯聚層、接入層和無線覆蓋層。根據(jù)廠區(qū)需求分析，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)型和星型網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的拓撲結(jié)構(gòu)，匯聚層網(wǎng)絡(luò)采用兩套千兆光纖冗余環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)了鏈路冗余和設(shè)備的冗余。整個系統(tǒng)特點如下：（1）高性能：接入層與匯聚層之間選擇100Mbit/s多模光纖通信，匯聚層采用1000Mbit/s多模光纖通信，提高了傳輸速率，降低了傳輸沖突，增強了系統(tǒng)傳輸?shù)膶崟r性與確定性,大大提升了系統(tǒng)效能。（2）高可靠性：采用了環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)保證了網(wǎng)絡(luò)彈性，環(huán)網(wǎng)中的任一線路發(fā)生故障，系統(tǒng)均能在短時間內(nèi)恢復(fù)正常工作，實現(xiàn)了故障自愈及網(wǎng)絡(luò)管理等先進的功能。此外，匯聚層網(wǎng)絡(luò)采用了雙層環(huán)網(wǎng)的設(shè)計，保障了交換機故障的情況下也不會對通訊造成任何影響。3.3控制中心匯聚層結(jié)構(gòu)設(shè)計控制中心匯聚層網(wǎng)絡(luò)主要完成廠區(qū)內(nèi)生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)與控制中心網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)?？刂浦行膬?nèi)有三層交換機、PROFINETI/O控制器、監(jiān)控服務(wù)器。3.4生產(chǎn)線匯聚層結(jié)構(gòu)設(shè)計生產(chǎn)線匯聚層網(wǎng)絡(luò)主要完成了生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的匯聚與傳輸，須至少在每條生產(chǎn)線起點處設(shè)置匯聚層工業(yè)交換機，并在最后一條生產(chǎn)線尾部設(shè)置一臺匯聚層工業(yè)交換機，共設(shè)七臺二層交換機作為生產(chǎn)線主交換機。由于在環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，生產(chǎn)線6與控制中心距離超出光纖最大傳輸距離，故在之間增加兩臺延伸交換機以解決最大傳輸距離問題。生產(chǎn)線匯聚層網(wǎng)絡(luò)共設(shè)九臺交換機，其中七臺作為生產(chǎn)線主交換機，生產(chǎn)線主交換機交叉連接和控制中心匯聚層交換機構(gòu)成兩條光纖環(huán)網(wǎng)。3.5接入層結(jié)構(gòu)設(shè)計選擇六臺二層交換機作為生產(chǎn)線接入層交換機，每臺交換機和相鄰的兩臺生產(chǎn)線主交換機相連，構(gòu)成端口冗余。每臺交換機向下與三臺無線AP連接，均勻分布在生產(chǎn)線中。3.6工業(yè)信息安全策略設(shè)計（基于白名單的入侵過濾設(shè)計）安全模塊使用“白名單”機制來加強對系統(tǒng)的訪問控制和通信，應(yīng)用的“白名單”機制包括身份認證、ＩＰ地址白名單，如果沒有使用內(nèi)網(wǎng)IP地址和使用工號密碼登陸，便無法操作系統(tǒng)。身份認證的方式為采用工廠職工工號、密碼進行認證（工號作為用戶名），并且登陸的工號、時間及對于系統(tǒng)的操作會自動保存（方便查證員工的錯誤操作），從而形成身份認證白名單。同時根據(jù)不同的等級所進行的的操作權(quán)限也進行設(shè)置，內(nèi)網(wǎng)ＩＰ地址示例如表１所示。內(nèi)網(wǎng)IP數(shù)據(jù)下載及合法時間及規(guī)定操作如下表所示。IP地址時段數(shù)據(jù)下載數(shù)據(jù)批量上傳上位機監(jiān)控不允許訪問HMI198.160.10.0～8:00～122.213.20.1～198.160.10.1518:00122.213.20.10102.168.20.6～130.102.20.8～102.168.20.2018:00～不允許130.102.20.1123:00訪問HMI其他時段不允許訪問HMI表2.6.1ＩＰ地址白名單4.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)故障分析4.1匯聚層網(wǎng)絡(luò)故障當匯聚層出現(xiàn)光纖斷線事故后（如圖3-2匯聚層光纖2號環(huán)網(wǎng)斷線），依據(jù)匯聚層交換機內(nèi)配置的HRP協(xié)議將自動啟用備用鏈路，網(wǎng)絡(luò)重組能保證若干毫秒內(nèi)實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點或線路的故障并不會影響所連接的數(shù)據(jù)交互，會有冗余機制替代故障節(jié)點完成信息交互，從而不會斷開連接，并且可以在操作員站看到各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的故障情況，在一定程度上以保證數(shù)據(jù)傳輸過程或?qū)lc的控制。圖3-2匯聚層光纖2號環(huán)網(wǎng)斷線4.2匯聚層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障當匯聚層出現(xiàn)生產(chǎn)線主交換機節(jié)點故障后（例圖3-3生產(chǎn)線主交換機2號機節(jié)點故障），生產(chǎn)線接入層主交換機1號機將無法通過2號光纖環(huán)（圖3-3中為紅色）訪問生產(chǎn)線接入層主交換機2號生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的工藝單元并將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心。但生產(chǎn)線交換機1號機可以通過另一條上行鏈路與1號光纖環(huán)相連，并將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心。生產(chǎn)線交換機1、2號機會繞開故障節(jié)點，均通過光纖環(huán)網(wǎng)1與控制中心通信。同時2號光纖環(huán)網(wǎng)也會自動啟用備用鏈路，生產(chǎn)線3-生產(chǎn)線6的數(shù)據(jù)仍可以通過2號光纖環(huán)網(wǎng)與控制中心通信。圖3-3生產(chǎn)線主交換機2號機故障4.3接入層網(wǎng)絡(luò)故障（1）若出現(xiàn)生產(chǎn)線接入層交換機與生產(chǎn)線主交換機斷線事故，接入層交換機使用了交換機的端口冗余機制，實現(xiàn)硬件上的故障切換，當一條鏈路發(fā)生中斷時，另一條鏈路會在承擔起該條生產(chǎn)線全部的傳輸通信。（2）若出現(xiàn)生產(chǎn)線接入層交換機出現(xiàn)故障時，將導(dǎo)致一條生產(chǎn)線數(shù)據(jù)失去監(jiān)控，應(yīng)立即對交換機進行維修或更換。（3）若出現(xiàn)無線AP故障或無線AP與接入層交換機之間電纜斷線事故時，將會導(dǎo)致PLC監(jiān)控出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。應(yīng)立即對該處的無線AP或電纜進行檢查維修。5.系統(tǒng)實施方案在網(wǎng)絡(luò)IP規(guī)劃中所有設(shè)備使用一個B類私有地址塊172.16.0.0/16，將該地址塊劃分為若干子網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機、路由器）代理IP使用172.16.0.0/24這個地址塊，視頻服務(wù)器、PROFINETI/O控制器、IP攝像頭以及PROFINETI/O設(shè)備分別使172.16.1.0/24、172.16.2.0/24、172.16.3.0/24以及172.16.4.0/24這些私有地址塊。根據(jù)以上的規(guī)劃，具體的地址分配表如下表：成員IP子網(wǎng)掩碼PROFINETI/O控制器172.16.2.2255.255.255.0控制中心匯聚層交換機172.16.0.1—172.16.0.2255.255.255.0生產(chǎn)線延長交換機172.16.0.5—172.16.0.6255.255.255.0生產(chǎn)線主交換機172.16.0.11—172.16.0.17255.255.255.0接入層交換機172.16.0.21—172.16.0.26255.255.255.0客戶端172.16.0.61—172.16.0.66255.255.255.0PROFINETI/O設(shè)備172.16.4.2—172.16.4.7255.255.255.0表5-1IP地址劃分十二臺三層交換機、生產(chǎn)線AP、接入層交換機及AP通過PST配置對應(yīng)的IP。西門子工業(yè)交換機的配置軟件PST(PrimarySetupTool)，PST軟件可用于為SIMATICNET網(wǎng)絡(luò)組件、以太網(wǎng)、CP的網(wǎng)關(guān)地址分配(比如IP地址及子網(wǎng)掩碼)。以管理員身份啟動PrimarySetupTool軟件，點擊Network→Browse菜單，PST軟件開始搜索設(shè)備，搜索到設(shè)備后，設(shè)備欄點擊自己需要配置的設(shè)備，在右側(cè)界面中設(shè)置設(shè)備IP地址、子網(wǎng)掩碼。再選中設(shè)備，點擊工具欄下載按鈕，將配置好的IP地址、子網(wǎng)掩碼下載到設(shè)備中。圖5-3網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP配置6.通訊及功能測試在上位機的“命令提示符”環(huán)境中輸入命令“ping172.16.3.2”。由上位機發(fā)出的報文，能夠通過路由轉(zhuǎn)發(fā)到PLC中。圖5-19Ping測試結(jié)論目前大部分的工業(yè)控制過程中只能夠解決工業(yè)現(xiàn)場實時性的問題，還遠遠不夠。拿我實習所在的公司來說，對于網(wǎng)絡(luò)的時效性也是有這些問題，常常因為各個機臺信號交互不流暢的原因?qū)е聶C臺宕機，大大影響了生產(chǎn)線的效能。因為工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境條件非常惡劣，所以我們對以太網(wǎng)在計劃時要聯(lián)系工業(yè)現(xiàn)場可能會存在的問題，只有很好的處理了這些題目，才能做出現(xiàn)實可行的方案。工業(yè)以太網(wǎng)是