虚拟局域网技术在工业控制网中的应用技术*

唐婧壹，杨 鹏

(1.山西机电职业技术学院，山西 长治 046011；2.中国联通长治分公司，山西 长治 046011)

虚拟局域网技术在工业控制网中的应用技术*

唐婧壹1，杨 鹏2

(1.山西机电职业技术学院，山西 长治 046011；2.中国联通长治分公司，山西 长治 046011)

随着虚拟局域网的开发及应用，在工业控制环节中对局域网的安全性与可靠性提出了更高的要求。虚拟局域网技术在工业控制网中的应用技术是目前工业控制系统厂商与集成商的主要研究的问题与需要解决的问题。文中对虚拟局域网技术在工业控制网中的应用技术进行研究，针对工业控制网络的要求，提出了一种虚拟局域网解决方案适用于工业领域。

虚拟局域网；工业控制网；应用技术

在工业化生产过程中，由于涉及多个设备的使用，因此数据在采集与处理过程中存在一定的难度，以太网技术的发展在工业生产作业中解决数据的通讯问题，如网络带宽的占用率大，在一定程度上可能导致通讯阻塞，在这种情况下可以通过虚拟局域网技术来减少通讯带宽的压力，从而减少因数据传播而导致的以太网通讯阻塞现象[1]。利用虚拟局域网将通讯端口划分为多个通讯域，确保每个通讯域是相互独立的状态，通过交换机将接受的数据包原地址与现有目的地址进行解析，解析到目的端口，利用虚拟局域网将目的地址根据是否允许对原地址进行访问而划分，否则禁止。

1 虚拟局域网的基本概念与划分

1.1 虚拟局域网的基本概念

虚拟局域网，即VLAN，虽不属于同一个物理网络，但是在一个物理网络之中。VLAN通信主要是通过路由将相同的VLAN设备进行相互访问，而不同的VLAN设备则不可以进行相互访问。由于虚拟局域网的网络流量是在本虚拟局域网中受到限制，因此网络的性能得到了有效的提高。通过局域网可以有效对广播风暴的控制，LAN则为逻辑广播域，在局域网的创建过程中，广播的范围不断缩小，实现对广播风暴的控制。其次，在局域网的使用过程中，对用户网访问权限与逻辑网段的控制主要是通过分配AC地址及路由访问列表而实现的，在不同的局域网中划分多个用户群，提高交换网络的安全性与整体性[2]。在局域网技术中，对网络的管理更加直观，对用户网络通过以太网进行分配，网管将重新来调整网络物理结构，使网络设备的数量增加，从而增加了工作的任务量。但在工业生产部门及流程中，局域网将根据用户的地理位置划分成一个逻辑网段，降低网络管理与维护的工作量与负担，从而使网络的维护与管理费用降低。

1.2 虚拟局域网的划分

虚拟局域网共有在交换机端口的局域网划分、基于AC地址的局域网划分，以及基于网络层的VLAN划分三种方式。其中基于交换机端口的局域网中LAN成员是由交换机端口的集合，端口发出广播，并向其他端口发送广播，有利于对网络及成员直接监控。但由于自动化程度较低，在给定的端口中不能支持两个及两个以上的局域网，网络站点在原有端口与新端口之间的移动时，新端口与原端口并不同属于一个局域网中，需要配置这一站点的网络地址。在基于AC地址的LAN中，则需要通过交换机设备对AC地址及交换机的端口进行跟踪，在新站点入网时将其划分在同一LAN种，但在移动过程中，站点的AC地址始终保持不变，对网络地址不需要进行重新配置，从而便于在工业控制网中对用户的实时跟踪。基于网络业务属性而生产的VLAN则是基于网络层的VLAN，在不同的LAN中将不同的路由站点进行对应划分[3]。对广播与广播帧进行检查，并利用交换机自动生产LAN。通过这种形式在不同的网段站点仍属于同一局域网中，在同一个物理端口的站点也可以属于不同的局域网，从而减少了对局域网的人工配置，具有较强的灵活性，与基于AC地址的局域网相比更具有自动化管理水平。

2 虚拟局域网技术在工业控制网中的应用技术分析

2.1 工业控制网中虚拟局域网的应用意义

工业控制系统是在信息技术水平提高的基础上所发展的，是控制领域中的重要发明与创造。迄今为止，工业控制系统暂无统一的通讯标准，从而导致各个厂商生产的仪表设备难以在工业控制系统中达到良好的兼容性。而以太网具有兼容性良好，易于安装、传输速度高，低能耗等多个优点，且支持多个网络协议，统一标准简单，在商业系统中以太网受到广泛的应用。但传统的以太网的网络结构与多路访问通讯方式在对实时性要求较高的情况下，其传输速度较慢，甚至产生传输延滞，这是以太网所具有的不确定性。在广播风暴发生时会由于网络传输过载而造成通讯问题，这也是以太网难以进行控制领域中的原因[4]。随着交换技术的发展，以太网的自身结构在不断地改善，以太网的安全性、可靠性与实时性的缺点得以解决，从而使以太网在工业控制领域中的应用可能实现，在此环节下产生了工业以太网。

虚拟局域网是根据网络逻辑进行划分，从而使工业生产的各个部门、各个生产工序及现场的仪器设备形成一个独立网段，网段中的所有成员均可享受所有带宽，从而提高了信息传送的速率，对突发故障的设施及时响应，对故障位置进行准确喷段并进行隔离，在工业生产中满足其实时性要求[5]。由于不同的虚拟局域网在通信中主要依赖于路由设备及第三方网络协议，工业企业可以根据自身的实际情况来对安全级别进行设置，对现场的生产状况进行随时监视与更改。控制级主要是对现场设备的运行情况进行监视，对设备控制参数进行更改，但对管理级的决定不能更改。虚拟局域网在工业控制网中的应用可以提高网络利用率，节省网络资源。

2.2 工业领域中虚拟局域网技术的应用实例分析

在大型工业企业的控制系统中，主要分为设备层、管理层及控制层，为了确保网络运行稳定，在不同系统中控制与管理的便捷，一般通过虚拟局域网技术对虚拟网络进行划分，在对虚拟局域网的划分过程中一般采用二八原则，网络转发流量为20%，广播域传播流量80%。而对带宽需求及通信要求较高的用户，应将其划分于统一LAN中，限制交换机中的信息流量，从而为其他用户的使用节省带宽。以某工业火电厂为例，作为一个大型的现代化企业，所具备的部门较多，如一级部门中的辅机、锅炉、调度、汽机、MIS等，二级部门有财务、人力资源等，各个部门之间的区域分散不同，在虚拟局域网中通过局域网仿真技术实现虚拟局域网的建立[6]。由于部分部门的人员数量较少，在虚拟局域网的划分中单独划分会增加建设成本，路由负担加重，因此将一些人员数量较少的部门一般将其合并在一个或几个虚拟局域网中，将普通服务器集中于同一个虚拟局域网中，将服务器划分成为多个虚拟局域网，在网络流量异常时，避免对核心服务网正常运行状态的影响。

交换机共分为三个级别，即核心交换机，二层交换机和三层交换机，在辅机或锅炉等设备中，按照现场交换机来划分仪表设备与控制系统，从而对故障发生区域进行定位与隔离。在划分VLAN后，实现企业全面化网络管理，促进不同部门的协作关系，实现工业单位中的优势互补，使生产工作与管理工作相互协调。

2.3 虚拟局域网技术的发展趋势及应用价值

虚拟局域网与路由器相比在控制广播中成本效益更佳，对多媒体高校组播和控制应用程序时提供支持，使其安全性增加，对网络进行自动化管理。虚拟局域网技术在交换式网络中具有较强的能力，有利于虚拟局域网技术的实现[7]。而虚拟局域网技术的工作效率受到路由技术的影响，因此在虚拟局域网技术的发展过程中需要不断提高路由的速度，减少路由节点。对用户的定义采用更加灵活与方便的配置手段，为用户提供良好的虚拟局域网使用环节与界面，提高网络的使用效益。

3 结束语

当前在我国大型工业控制网系统中，由于大型工业企业的网络结构十分复杂，管理网与工业网络结合较多，出于通讯效率与安全性、可靠性的考虑，在工业控制网中采用虚拟局域网技术十分必要。虚拟局域网可以实现在工业控制系统中安全性与实时性的统一，体现出自动化控制。但由于虚拟局域网的发展仍不十分成熟，在较多方面存在漏洞，在工业企业中一些陈旧的设备难以支持虚拟局域网技术的应用，但就其应用价值与发展趋势来看，仍是一种突破，在工业控制网中的应用与发展占据重要地位。

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[3] 陈乃权.GPS技术在沈阳市地铁一号线施工控制网中的应用[J].城市勘测,2006(1):27-28,34.

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Application of Virtual Local Area Network Technology in Industrial Control Network

Tang Jingyi1, Yang Peng2

(1.ShanxiInstituteofMechanicalandElectricalEngineering,ChangzhiShanxi046011,China; 2.ChinaUnicomChangzhiBranch,ChangzhiShanxi046011,China)

With the development and application of virtual local area network (LAN), the higher demand is required for the security and reliability of the local area network. The application of virtual local area network technology in industrial control network is the main problem and the problem to be solved. In this paper, the application of virtual local area network technology in the industrial control network is studied. According to the requirements of the industrial control network, a virtual local area network solution is put forward.

virtual LAN; industry control network; application technology

2017-04-05

山西省教育厅课题：“工业控制技术虚拟设备教学资源研究与开发”(GH-14042)

唐婧壹(1984- )，女，吉林榆树人，讲师，硕士，研究方向：主要从事电路与通信系统、矿用智能设备等研究。

1674- 4578(2017)03- 0055- 03

TP393.1;TP393.18

A