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。