基于西门子工业通信网络的智能工厂网络设计与实施方案

基于西门子工业通信网络的智能工厂网络设计与实施方案摘要为了适用于严格的产业情况，确保产业的安全可靠，SIMATICNET为以太网工艺弥补了很多主要的机能。工业网络搭建的网络是一个较于从前的现场总线模式更先进的、高效的、安全的、可靠的、实用的现代网络。而本文则是以设计一条拥有六个工艺单元的产线及控制中心和生产管理区的工业网络作为设计。本设计包括了以管理型交换机和非管理型交换机为节点的双环网冗余机制及登录白名单的设置。如果当生产区任何一个网络节点发生故障时，冗余机制启动，通讯能在300ms内回复，并且在环网断开时通过指示灯发出警报，将其错误信息发送给上位机。而网络登录白名单限定上位机网络的IP地址，及登录的账号密码。关键词：以太网；交换机；冗余机制目录1.本文的主要设计内容 41.1产线网络布局分析 41.2生产管理区汇聚层网络布局 错误!未定义书签。1.3控制中心汇聚层网络布局 错误!未定义书签。1.4生产线汇聚层网络布局 错误!未定义书签。1.5工厂需求 51.6设计方法 52.网络结构设计 62.1网络拓扑结构设计 62.2网络拓扑结构分析 62.3控制中心汇聚层结构设计 72.4生产线汇聚层结构设计 72.5接入层结构设计 72.6工业信息安全策略设计（基于白名单的入侵过滤设计） 83.网络结构故障分析 83.1汇聚层网络故障 83.2汇聚层网络设备故障 93.3接入层网络故障 104.系统实施方案 105.通讯及功能测试 11结论 11参考文献 12致谢 121.本文的主要设计背景及意义图1-1工厂布置示意图工厂布置示意图如图1所示，主要包含生产管理区、控制中心和产线3个部分。6个工艺单元首尾相连构成一条产线。工艺单元1-3各包含两个PLC，工艺单元4-6各包含一个PLC，用于控制工艺单元内部生产加工操作。工业现场环境十分恶劣，如冲动、噪音、腐蚀、粉尘等等，常常会使站点网络节点故障。操作员可以在控制中心操作员站上可以监视整个工厂网络的运行状态，如果有网络节点故障，可以立刻维修。控制中心、产线及其之间的网络称为生产控制层网络。生产管理区中安装有生产管理系统，与控制中心进行通讯。2．设计内容工厂网络可划分为，汇聚层网络（包含生产管理区设备、控制中心设备、生产线延伸交换机、生产线主交换机）、接入层网络（生产线接入层交换机）。生产管理区汇聚层包括两台三层交换机生产管理系统。布局通过使用两台交换机实现设备双机热备冗余，提高网络系统的可靠性和适用性。控制中心汇聚层包括十二台三层交换机、工程师站和操作员站。布局通过使用十二台交换机实现设备双环网冗余，提高网络系统的可靠性。十二台三层交换机分别与控制中心内的工程师站和操作员站的交换机连接。根据厂区综合布局需求，距离控制中心100米处，沿首条生产线起，每个工艺单元起点处设置生产线主交换机，并在第6个工艺单元尾端装设生产线主交换机，生产线主交换机之间通过光纤连接。为提高汇聚层网络可靠性，设计中使用双层环型网络结构，充分考虑其冗余度。由于在环网结构中生产线6与控制中心之间的距离超出了千兆多模光纤的最大传输距离750米，因此需要在两者之间添加生产线延伸交换机来解决光纤的最大距离传输问题。生产线汇聚层网络布局图如图1所示图1生产线汇聚层网络布局图2.1工厂需求含生产管理区、控制中心和产线3个部分。6个工艺单元按直线首尾相连排列，构成一条产线。工艺单元1-3各包含两个PLC，工艺单元4-6各包含一个PLC，用于控制工艺单元内部生产加工操作。控制中心主要包含工程师站、操作员站。在控制中心操作员站上可以监视工厂网络的运行状态。控制中心、产线及其之间的网络称为生产控制层网络。生产管理区中安装有生产管理系统，与控制中心进行通讯。生产管理区的网络称为生产管理层网络。为保证整个网络的可靠性，在现有设备的基础上，充分考虑网络的冗余度。2.1设计方法本方案围绕通过对生产线plc的控制管理和对plc的实时监控这一目的展开设计。对厂区汇聚层网络进行双环网冗余设计。当汇聚层网络某一层的网络节点发生故障时，产线各个站点还可以进行信息交互，增加系统的可靠性。当系统某一发生故障时，冗余配置的另一部件介入并承担故障节点的工作，由此减少系统的故障时间。3.网络结构设计3.1网络拓扑结构设计网络拓扑结构是指网络中的各节点之间互联的构型，其中环型结构和星型结构在企业网中使用较多。环型拓扑结构是指从一个站点到另一个站点，直到将所有站点连成环型，消除了站点信息交互时对于上一网络节点的依赖性；根据工厂需求，对厂区汇聚层网络进行双环网冗余设计，该环型结构的特点是不仅提高了数据传输的安全性，也提高整个网络的可靠性，具体网络拓扑图见图3-1。图3-1网络结构拓扑3.2网络拓扑结构分析在该方案网络拓扑结构设计中，根据甲方“千兆汇聚，百兆接入”的要求，采用分层设计方法，将网络的逻辑结构化整为零，分层讨论并设计。将网络拓扑结构划分控制中心汇聚层、生产线汇聚层、接入层和无线覆盖层。根据厂区需求分析，网络结构设计环型和星型网络相结合的拓扑结构，汇聚层网络采用两套千兆光纤冗余环网，实现了链路冗余和设备的冗余。整个系统特点如下：（1）高性能：接入层与汇聚层之间选择100Mbit/s多模光纤通信，汇聚层采用1000Mbit/s多模光纤通信，提高了传输速率，降低了传输冲突，增强了系统传输的实时性与确定性,大大提升了系统效能。（2）高可靠性：采用了环型冗余结构保证了网络弹性，环网中的任一线路发生故障，系统均能在短时间内恢复正常工作，实现了故障自愈及网络管理等先进的功能。此外，汇聚层网络采用了双层环网的设计，保障了交换机故障的情况下也不会对通讯造成任何影响。3.3控制中心汇聚层结构设计控制中心汇聚层网络主要完成厂区内生产线网络与控制中心网络的路由转发。控制中心内有三层交换机、PROFINETI/O控制器、监控服务器。3.4生产线汇聚层结构设计生产线汇聚层网络主要完成了生产线网络数据的汇聚与传输，须至少在每条生产线起点处设置汇聚层工业交换机，并在最后一条生产线尾部设置一台汇聚层工业交换机，共设七台二层交换机作为生产线主交换机。由于在环网结构中，生产线6与控制中心距离超出光纤最大传输距离，故在之间增加两台延伸交换机以解决最大传输距离问题。生产线汇聚层网络共设九台交换机，其中七台作为生产线主交换机，生产线主交换机交叉连接和控制中心汇聚层交换机构成两条光纤环网。3.5接入层结构设计选择六台二层交换机作为生产线接入层交换机，每台交换机和相邻的两台生产线主交换机相连，构成端口冗余。每台交换机向下与三台无线AP连接，均匀分布在生产线中。3.6工业信息安全策略设计（基于白名单的入侵过滤设计）安全模块使用“白名单”机制来加强对系统的访问控制和通信，应用的“白名单”机制包括身份认证、ＩＰ地址白名单，如果没有使用内网IP地址和使用工号密码登陆，便无法操作系统。身份认证的方式为采用工厂职工工号、密码进行认证（工号作为用户名），并且登陆的工号、时间及对于系统的操作会自动保存（方便查证员工的错误操作），从而形成身份认证白名单。同时根据不同的等级所进行的的操作权限也进行设置，内网ＩＰ地址示例如表１所示。内网IP数据下载及合法时间及规定操作如下表所示。IP地址时段数据下载数据批量上传上位机监控不允许访问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～不允许130.102.20.1123:00访问HMI其他时段不允许访问HMI表2.6.1ＩＰ地址白名单4.网络结构故障分析4.1汇聚层网络故障当汇聚层出现光纤断线事故后（如图3-2汇聚层光纤2号环网断线），依据汇聚层交换机内配置的HRP协议将自动启用备用链路，网络重组能保证若干毫秒内实现。网络中某一节点或线路的故障并不会影响所连接的数据交互，会有冗余机制替代故障节点完成信息交互，从而不会断开连接，并且可以在操作员站看到各个网络节点的故障情况，在一定程度上以保证数据传输过程或对plc的控制。图3-2汇聚层光纤2号环网断线4.2汇聚层网络设备故障当汇聚层出现生产线主交换机节点故障后（例图3-3生产线主交换机2号机节点故障），生产线接入层主交换机1号机将无法通过2号光纤环（图3-3中为红色）访问生产线接入层主交换机2号生产线网络所对应的工艺单元并将数据传输至控制中心。但生产线交换机1号机可以通过另一条上行链路与1号光纤环相连，并将数据传输至控制中心。生产线交换机1、2号机会绕开故障节点，均通过光纤环网1与控制中心通信。同时2号光纤环网也会自动启用备用链路，生产线3-生产线6的数据仍可以通过2号光纤环网与控制中心通信。图3-3生产线主交换机2号机故障4.3接入层网络故障（1）若出现生产线接入层交换机与生产线主交换机断线事故，接入层交换机使用了交换机的端口冗余机制，实现硬件上的故障切换，当一条链路发生中断时，另一条链路会在承担起该条生产线全部的传输通信。（2）若出现生产线接入层交换机出现故障时，将导致一条生产线数据失去监控，应立即对交换机进行维修或更换。（3）若出现无线AP故障或无线AP与接入层交换机之间电缆断线事故时，将会导致PLC监控出现中断现象。应立即对该处的无线AP或电缆进行检查维修。5.系统实施方案在网络IP规划中所有设备使用一个B类私有地址块172.16.0.0/16，将该地址块划分为若干子网。网络设备（交换机、路由器）代理IP使用172.16.0.0/24这个地址块，视频服务器、PROFINETI/O控制器、IP摄像头以及PROFINETI/O设备分别使172.16.1.0/24、172.16.2.0/24、172.16.3.0/24以及172.16.4.0/24这些私有地址块。根据以上的规划，具体的地址分配表如下表：成员IP子网掩码PROFINETI/O控制器172.16.2.2255.255.255.0控制中心汇聚层交换机172.16.0.1—172.16.0.2255.255.255.0生产线延长交换机172.16.0.5—172.16.0.6255.255.255.0生产线主交换机172.16.0.11—172.16.0.17255.255.255.0接入层交换机172.16.0.21—172.16.0.26255.255.255.0客户端172.16.0.61—172.16.0.66255.255.255.0PROFINETI/O设备172.16.4.2—172.16.4.7255.255.255.0表5-1IP地址划分十二台三层交换机、生产线AP、接入层交换机及AP通过PST配置对应的IP。西门子工业交换机的配置软件PST(PrimarySetupTool)，PST软件可用于为SIMATICNET网络组件、以太网、CP的网关地址分配(比如IP地址及子网掩码)。以管理员身份启动PrimarySetupTool软件，点击Network→Browse菜单，PST软件开始搜索设备，搜索到设备后，设备栏点击自己需要配置的设备，在右侧界面中设置设备IP地址、子网掩码。再选中设备，点击工具栏下载按钮，将配置好的IP地址、子网掩码下载到设备中。图5-3网络设备IP配置6.通讯及功能测试在上位机的“命令提示符”环境中输入命令“ping172.16.3.2”。由上位机发出的报文，能够通过路由转发到PLC中。图5-19Ping测试结论目前大部分的工业控制过程中只能够解决工业现场实时性的问题，还远远不够。拿我实习所在的公司来说，对于网络的时效性也是有这些问题，常常因为各个机台信号交互不流畅的原因导致机台宕机，大大影响了生产线的效能。因为工业现场环境条件非常恶劣，所以我们对以太网在计划时要联系工业现场可能会存在的问题，只有很好的处理了这些题目，才能做出现实可行的方案。工业以太网是