工業(yè)以太網網絡規(guī)劃原則

工業(yè)以太網技術具有價格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產品豐富、應用廣泛以及支持技術成熟等優(yōu)點，已成為最受歡迎的通信網絡之一。?

近些年來，隨著網絡技術的發(fā)展，以太網進入了控制領域，形成了新型的以太網控制網絡技術。這主要是由于工業(yè)自動化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展，開放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。?

以太網技術引入工業(yè)控制領域，其技術優(yōu)勢非常明顯。?工業(yè)以太網制造現(xiàn)在信息的強大性跟控制的快捷性，能夠實現(xiàn)快速的串聯(lián)跟控制，為現(xiàn)代工業(yè)制造實現(xiàn)真正意義上的“E網到底”奠定了良好的基礎。?

工業(yè)以太網已經被業(yè)內認為是未來控制網絡的最佳解決方案，也是當前現(xiàn)場總線中的主流技術。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”其技術本質都是自動化與信息化的深度融合。在融合的過程中網絡會不斷地增長。不斷增長的網絡復雜度為工業(yè)控制網絡的設計方法提出了新的挑戰(zhàn)。

目前實際工業(yè)應用的網絡--般由控制工程師成設計，網絡性能主要由控制工程師經驗決定。但是隨著網絡復雜度增加，這難以保持高效與可靠。在大規(guī)模網絡中，如何確定網絡性能的瓶頸變得非常的棘手。并且，小規(guī)模網絡中獲取的網絡設計經驗未必適用于大規(guī)模網絡?？刂乒こ處熢O計工業(yè)控制網絡需要保障網絡QoS性能，避免工業(yè)控制網絡的性能成為工業(yè)自動化系統(tǒng)性能的瓶頸。

工業(yè)以太網技術具有價格低廉、安穩(wěn)牢靠、通訊速率高、軟硬件產品豐富、運用廣泛以及支持技術成熟等長處，已成為最受歡迎的通訊網絡之一。近些年來，跟著網絡技術的開展，以太網進入了操控范疇，形成了新式的以太網操控網絡技術。這主要是由于工業(yè)自動化體系向散布化、智能化操控方面開展，敞開的、透明的通訊協(xié)議是必定的要求。以太網技術引進工業(yè)操控范疇，其技術優(yōu)勢十分顯著。 工業(yè)以太網制作現(xiàn)在信息的強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)制作完成真實意義上的“一網到底”奠定了優(yōu)良的基礎。工業(yè)以太網現(xiàn)已被業(yè)內認為是未來操控網絡的最佳解決方案，也是當時現(xiàn)場總線中的主流技術（如下圖1是工業(yè)以太網在工業(yè)操控體系的各個層級的運用）。

圖1、工業(yè)以太網在自動化系統(tǒng)各個層級的應用

在上圖中雖然從網絡的網絡上在自動化系統(tǒng)的各個層級都可以是以太網，但在各個層級上的以太網上運行的協(xié)議并不相同，這是由于控制系統(tǒng)的應用決定的。在控制系統(tǒng)的各個層級對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、響應時間、傳輸?shù)念l次等的要求如下圖2所示。

圖2、控制系統(tǒng)各個層級的不同要求

控制系統(tǒng)各個層級的不同要求，使得工業(yè)控制網絡的規(guī)劃不能簡單地復制IT網絡的網絡規(guī)劃。對自動化的控制網絡不但考慮網絡的規(guī)模的大小，還需要考慮自動化不同層級的特點。

所以對于自動化系統(tǒng)的工業(yè)以太網絡，可以從如下的幾個角度去規(guī)劃和設計網絡，如下圖3所示。

圖3、自動化系統(tǒng)的工業(yè)以太網的考慮因素

一、根據(jù)網絡規(guī)模/網絡節(jié)點數(shù)量多少來規(guī)劃網絡

既然工業(yè)以太網是由以太網發(fā)展而來，所以工業(yè)以太網具有以太網的一些特點。對于工業(yè)以太網的規(guī)劃可以參考IT網絡規(guī)劃的一些原則（這是工業(yè)以太網規(guī)劃考慮的一個方面）。對于IT網絡的規(guī)劃往往是從網絡規(guī)模的大小來規(guī)劃網絡。對于一個小型網絡可能只規(guī)劃一個廣播域即可；而對于大型的網絡則需要規(guī)劃多個廣播域如下圖4和下圖5所示。

圖4、小型網絡采用扁平的網絡結構

圖5、大型網絡采用分層/分廣播域的網絡結構

上面的網絡規(guī)劃采用的以太網的星型和線性的拓撲結構，若需要更高的網絡可用性可采用冗余的網絡結構（環(huán)型或網狀型的網絡結構）?？紤]使用何種網絡冗余架構還需要結合對實時性的要求來考慮。在工業(yè)控制層比較多的使用的是環(huán)網的網絡拓撲結構來提高網絡的可用性，如下圖6的示例。

圖6、環(huán)網實現(xiàn)高可用性

二、根據(jù)自動化的層級規(guī)劃網絡

如圖1所示自動化系統(tǒng)的層級架構，由于各層級對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、響應時間、傳輸?shù)念l次等有不同的需求（如圖2所示），所以需要按照層級來規(guī)劃網絡，這樣可保證每個層級相對的獨立性（各通信協(xié)議互不影響）。此時可能的網絡規(guī)劃方案如下圖7所示。

圖7、根據(jù)自動化層級規(guī)劃網絡

按照圖7的規(guī)劃方式可以有效實現(xiàn)控制層級的數(shù)據(jù)流不會進入到現(xiàn)場層級的網絡中，進而保證現(xiàn)場網絡的實時性能不受其它層級的數(shù)據(jù)流的影響。從物理上保證了每個層級相對獨立性。

三、根據(jù)通信業(yè)務流類型規(guī)劃網絡

在相同的層級中也會存在著不同的業(yè)務數(shù)據(jù)流，它們對實時性的要求可能相同也可能不同。如下圖8所示。它們對實時性的要求相同但它們又屬于不同的業(yè)務流。

圖8、同一層級的不同的業(yè)務數(shù)據(jù)流

圖9、按照不同的業(yè)務流規(guī)劃網絡

四、根據(jù)設備的地理分布情況規(guī)劃網絡

在現(xiàn)場中根據(jù)工業(yè)的需求設備會安裝在不同的位置，將這些分布在不同地理位置上的設備連網?？紤]的節(jié)約成本且使各工藝段的網絡相對清晰往往會按如圖10、圖11和圖12的方式來規(guī)劃網絡。

圖10、設備控制柜的網絡規(guī)劃

圖11、自動化單元間的網絡規(guī)劃

圖12、各工廠之間的網絡規(guī)劃

五、根據(jù)工業(yè)信息安全的需求規(guī)劃網絡

由于網絡規(guī)模的不斷增大，所以對各層級的網絡資源的訪問應該通過一種有效的方式控制。這樣可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)流只允許在允許的范圍內流動。進而實現(xiàn)有效的流量管控。那么這種有效的方式就是網絡從信息安全的角度來規(guī)劃如下圖13所示。

在網絡中增加一些安全設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的控制。

對于自動化系統(tǒng)網絡的規(guī)劃不能從上面所述的這幾個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規(guī)劃出一個合理高效的網絡。

工業(yè)以太網網絡規(guī)劃總的原則如下：

（1）在項目的起始階段進行合理的規(guī)劃，考慮系統(tǒng)層面的網絡優(yōu)化，以獲得更好的數(shù)據(jù)傳輸質量，節(jié)省設備的投資成本和網絡安裝調試的時間成本。

（2）合理的使用樹形拓撲分割網絡沖突域，盡量不要使用交換機的級聯(lián)結構，因為數(shù)據(jù)幀在網絡中傳遞時，每經過一個交換機，延遲的時間就要積累下來。

（3）使用樹形拓撲網絡時，按照現(xiàn)場設備之間的通信關系組網。相互之間通信流量比較大的兩個現(xiàn)場設備盡可能分布到同一個子網，使子網內的通信流量盡可能大，跨越頂級交換機的兩個子網間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀盡可能少，這樣可以有效減小網絡端到端的延遲。

（4）局部的網絡擁塞有可能導致整個網絡性能的瓶頸，因此各子網通過頂級交換機轉發(fā)的流量要盡可能均衡分布。