工业以太网技术的应用和案例

董建军　谭尊兵

【摘 要】自动化是目前全球制造业发展的主流趋势，一个完整的自动化生产线包括PLC、人机界面（HMI）、分布式I/O、仪表、工业机器人等，而这些组成部份都需要工业以太网联接，构成统一整体。工业以太网是一种高效的局域网络，它是现代工业自动化生产体系中的重要组成部份，不管是传感器数据传输还是生产设备控制等等，这些都需要以太网来构成基本的控制网络。

【关键词】工业以太网；环网

0 概述

近些年来，随着网络技术的发展和工业控制领域对网络性能要求越来越高，以太网正逐步进入工业控制领域，形成新型的工业以太网网络技术。

与普通的以太网相比，工业以太网需要解决开放性、实时性、可靠性、抗干扰性及安全性等诸多方面的问题。传统的以太网并不是为工业应用而设计的，没有考虑工业现场环境的适应性需要。工业现场的干扰、温度、灰尘等条件非常恶劣，因此对设备的工业可靠性提出了更高的要求，在某些高危领域的应用甚至是极端苛刻的。

工业以太网的主干网络主要采用环网的方式。传统的光纤网络采用的是主干的方式，中间的任何一条连接线断掉，都至少会影响连接中的一个区域，这就给网络的安全性带来了隐患。使网络处于冗余模式就显得非常必要，环网功能很好的解决了这一问题。一般的以太网交换机不能作环形的网络，因为一但形成环形，会形成广播风暴。环网交换机采用了某些特殊技术，避免了广播风暴的产生，同时又实现了环形网络的可靠性。

1 主要的网络拓扑

网络拓扑是网络形状，或者是它在物理上的连通性。构成网络的拓扑结构有很多种。网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局，就是用什么方式把网络中的计算机等设备连接起来。它的结构主要有星型结构、环型结构、总线结构、分布式结构、树型结构、网状结构、蜂窝状结构等。

工业以太网主要采用环型结构和星型结构：

1.1 星型结构

星型结构是指各终端设备以星型方式连接成网。网络有中央节点，其他节点（工作站、服务器）都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心，因此又称为集中式网络。

优点：

便于集中控制，端用户之间的通信必须经过中心站。

易于维护，故障诊断和隔离容易。

带宽为独立带宽。

缺点：

中心系统必须具有极高的可靠性，因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。

电缆长度和安装工作量较大。

1.2 环型结构

环型结构在工控系统中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户，直到将所有的端用户连成环型。数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点。这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。

优点：

网络冗余，降低故障风险。

结构简单，容易实施。

缺点：

带宽为共享带宽，数据量不能太大，对于实时视频监控等往往需要重复投资，搭建专用网络。

信息从一个站点到另一个站点，如果中间有站点，总要经过中间站点的转发传递。

2 网络应用案例

以太网技术提供了足够的带宽使得通讯的实时性成为可能，但在使用过程中还是要谨慎的控制和核算系统的负荷，建议控制在25%以下，以保证系统的可靠性。

设置的高速以太环网，主链路采用千兆光纤。在核心层采用千兆工业以太网技术，通过千兆链路将各环网的交换设备连接到网络系统的核心层次，同时具备高冗余性能。根据实际情况，按区域、节点数量、规模可划分为一个环。

主环网采用千兆工业以太网技术，中央网络设置两台三层交换机作为整个网络的汇聚核心交换机，通过光缆与主干交换机之间进行传输。

（1）TCP/IP环网部分

所有交换机都采用光纤端口组环，一个连接上级交换机，一个用于连接下级交换机，构成一个完整的光纤环路。当其中某一段工作中的光纤线路被破坏或相应的网络设备发生故障时，整个网络会自愈，并在500ms内恢复正常的通讯。

如果环网中某个交换设备或链路发生故障，环网传输路径将选择反方向传输，保证主传输通道信号不间断，传输路径倒换时间设计小于500ms。

（2）控制环网部分

控制环网用于设备比较分散的区域，既节约成本又可以增加安全性，选用的交换机需要支持相关的控制协议，主要是Profinet，EtherNET-IP协议。

（3）星型结构

星型结构主要用于设备比较集中的区域，使用星型结构有利于项目的快速实施，每个通道也可以占用独立的带宽。

3 网络交换机布局主要遵循以下原则

交换机机柜至终端接入点（PLC或计算机等）不超过90m。

依据终端接入点的分布情况，集中就近布置。

现场交换机机柜安装高度：不影响通道的情况下建议安装高度：机柜中心线距地面1.5m。如占用人行通道空间，建议安装高度：机柜底部距地面2.5m。

4 IP地址的分配

IP地址的分配需要遵循一定的原则，对于每一类设备需要指定范围，有利于生产维护和故障排查。

以下是参考IP地址分配范围：

5 网络安全管理

工业系统的网络安全是工业以太网应用必须考虑的另一个安全性问题。工业网络可能会受到包括病毒感染、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。

在选型时尽量选择具有网管功能的交换机。网管是对整个网络进行规划、配置的工具，它可以实现对所有支持SNMP协议的网络设备进行管理、配置，在更改设备配置时只要在网管工作站对相关设备进行合适配置，通过网管工作站对网络设备进行日常管理、流量统计、故障分析等。设备控制网中所有光纤环网交换机均支持Web管理。在网管工作站上使用浏览器通过光纤环网交换机的管理IP地址即可在图形化界面上实现对交换机管理、配置和状态的观测。

如果项目成本允许，最好全网络使用可网管交换机，这样对网络维护有很大好处，可以通过网络前期的规划及设置避免很多故障发生。

在网络投入运行前要对所有有网络需求的分包商及相关工程师进行培训，对容易造成网络故障的情况作特别说明，并提前指定惩罚措施，如发生IP地址设置错误，Mac地址设备错误，网线乱插造成网络风暴，要追究相关负责人的责任。

设备联网要分步投入，保证在一个子系统检查各项设置没有问题时再接入主网，没有确认子网状态时不将其连入主网。

常见问题如下：

（1）MAC 地址冲突

调试阶段网络启用后，设备部分本来正常的连接变的很不稳定，时通时断，速度也不稳定。由于部分工业设备的调试工具可以很方便的更改MAC地址，调试人员下载配置的时候将一类设备设置成完全相同的MAC地址，有的非标设备出厂时，厂家把产品的MAC地址也设置成完全一样的，导致设备无法正常联网使用。

（2）IP 地址冲突

在调试阶段，设备调试人员使用的笔记本设置的IP地址和设备冲突。因此在设备调试前网管人员需要给调试工程师指定调试IP。

（3）网络风暴造成网络瘫痪

调试人员插拔柜内网线时，将网线和交换机形成了闭环，引发了网络风暴，导致网络突然瘫痪，网络上各设备连接极其不稳定。

（4）病毒攻击

在互联网上充斥着网络病毒的袭击。以蠕虫病毒为例，这些蠕虫病毒攻击的直接目标虽然通常是信息层网络的PC机和服务器，但是攻击是通过网络进行的，因此当这些蠕虫病毒大规模爆发时，交换机、路由器会首先受到牵连。用户只有通过重启交换路由设备、重新配置访问控制列表才能消除蠕虫病毒对网络设备造成的影响。蠕虫病毒攻击能够导致整个网络的路由震荡，这样可能使上层的信息层网络部分流量流入工业以太网，加大了它的通信负荷，影响其实时性。在控制层也存在不少计算机终端连接在工业以太网交换机，一旦终端感染病毒，病毒发作即使不能造成网络瘫痪，也可能会消耗带宽和交换机资源。

6 结束语

工业以太网成本比相应的商业产品要高一些，然而考虑到非预期的停机（产量损失、安全性降低和可能出现的设备损坏）所带来的巨大经济损失，使用较高的价格购买顶级品质的工业级交换机能够带来高效的回报，因为其具有高稳定性、最大化的使用寿命以及超高的性能。工业以太网开始在监控层网络上逐渐占据主流位置，正在向现场设备层网络渗透，在工业领域的作用越来越举足轻重。

[责任编辑：王伟平]