工业生产线通讯网络方案设计与分析

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(上海工程技术大学 电子电气工程学院,上海 201620)

0 引言

以太网凭借高性能、高互用性等特点，被广泛用于工业生产领域，其安全性和冗余度成为工业网络的两大核心1-2]。通常以太网冗余分为两大类：一类是提供线路和交换机冗余，主要有STP、RSTP和MSTP等，它们采用环形拓扑结构防止逻辑环网的出现，但故障恢复时间较长[3-5]，而IEC62439标准定义的介质冗余协议(MRP)能快速检测环网链路故障并建立新的网络拓扑来恢复网络错误！未找到引用源。；另一类是节点连接两个独立的以太网，主要有PRP等，PRP不会丢失报文数据，但会增加网络报文的数量，而且时钟同步难以实现[9-10]。虚拟路由器冗余协议(VRRP)技术是一种针对网络中断的可靠性设计技术，可以使网络自动切换至无故障网络，确保了通讯的连续性和可靠性[11]。

从现场设备到操作系统、驱动设备以及人机接口，没有通讯网络，机器管理控制、生产区域协调和监测等复杂任务很难实现。随着“互联网+”的提出和智能终端的普及，工业网络相关技术将不断推进，使生产朝着智能化、网络化和数字化方向发展。为了解决企业从接入层到管理层能实现安全稳定的信息传递的要求[12]，本文在对相关技术需求进行分析的基础上，将VRRP和MRP等协议综合利用，设计了交换机互为热备份的通讯网络方案，实现了具有较强自愈性的通讯网络，增强了系统的稳定性。此外，通过使用安全模块功能以及组播监听和快速漫游等技术，实现了数据在内部与外部网络间隔离传输，保证了无线传输的快速安全。根据技术分析与结构设计，对工厂通讯系统进行网络构建。

1 网络通讯技术需求

工厂生产单元具有可复制性与可替换性等特点，不同车间只与控制中心建立通讯。随着工业网络架构越来越大，如何通过技术手段确保网络传输的快速安全和系统的稳定成为必要的功能需求。本部分着重对工业以太网相关的各种通讯技术进行分析。

1.1 信道规划与iPCF快速漫游

对于信道的规划，在共同覆盖区域选择不同频段的信道，在不相同的区域可以选择相同的信道；同一AP(Access Point)管理信道可以相同，数据信道要不同，所以相邻的AP之间选用不同信道来防止互相产生干扰。为了避免由多个站点共享和竞争信道引起的冲突，同时考虑到无线安全性和数据传输可靠性，使用全双工交换式以太网进行数据传输。

自动导引车(AGV，Automatic Guided Vehicle)是一种集声、光、电、计算机为一体的简易移动机器人，主要应用于柔性加工系统、柔性装配系统。车内的网络设备按VLAN的功能划分为虚拟交换机，属于不同的VLAN设备，不能直接连接。整个系统中AGV小车上IP摄像头的高清视频,应传输到控制中心。将I/O设备与摄像头分别接入不同的VLAN，避免视频数据对控制系统的影响。为了降低带宽占用，通过组播方式将视频信号与控制数据子网隔离。

小车在环形轨道上运送物料时，会在无线区域快速切换，客户端的退出和重新登录发生得非常快。如图1所示，当AGV小车在不同车间内快速移动时，车上的客户端在不同的无线区域内快速切换，此时每个AP接入点以固定的信道顺序依次轮询客户端是否连接。当失去与AP的联系时，客户端会从其允许的通道列表中扫描下一通道，并选择最近的AP连接。在设置接入点模式和客户端模式时，启动设备PNIO支持功能，选择大于32 ms的更新时间，确保系统中的多个接入点在不同的通道中均能通信，进而将漫游时间缩短至50 ms以下。

图1 无线通讯控制系统示意图

1.2 组播侦听功能控制数据优先处理

交换机通过组播侦听和组播路由实现对组播数据(黑色箭头)的限制，通过侦听IGMP控制帧(白色箭头)，解析当前组成员状态并创建组播转发表，并实时更新组成员主机的状态，实现IP组播的动态注册。

图2为IGMP Snooping功能图，当侦听到主机Client2发出报告帧(Client1和Client3未发出)时，交换机把与Client2相连的端口添加到组播地址表，从而与MAC组播地址形成映射。当组播数据从三层设备发出后，二层组播设备启动IGMP Snooping功能，将数据只发送到Client2，从而对控制数据进行优先级处理，降低带宽占用，提高传输速率。

图2 IGMP Snooping功能示意图

交换机定时发送所有主机的IGMP Query报文，若主机要继续接收该地址表组报文，则应回应IGMP Report报文，若交换机收不到任何主机的IGMP Report报文，则将改组注销。

1.3 安全模块功能对设备进行保护

在生产线上，有些数据不能对外公开，安全模块可用作防火墙来过滤数据包。通信的传输采用与IP和MAC地址以及通信协议相同的方式进行过滤。网络地址转换(NAT)能将受保护的内部网络翻译成外部网络地址，建立一种受控的连接，安全模块作为防火墙和NAT路由使内部网络隔离于外部网络。这种将较多的私有IP地址由较少的公有IP地址代表的方式，在一定程度上减缓了可用的IP地址空间的枯竭。

此外，集成到安全模块的防火墙用于保护IO设备免受未经授权的访问，配置成仅允许访问虚拟站，设置通信过载限制。安全模块将数据保存在日志文件中，日志记录功能支持访问监控，并记录访问和尝试的攻击，以便采取预防措施。安全模块只允许经过身份验证和授权的设备之间的通信。这样能防止操作员出现错误，防止未经授权的访问，并避免干扰和通信过载。此外，可以通过安装防病毒软件和网管软件，对系统进行监控、报警和阻断。通过使用安全模块设置的防火墙、数据加密和安全监控管理系统，维护工程师可以通过外部网络与内部生产网络建立安全连接，对车间内部程序进行维护，确保传输数据的安全性和保密性。

2 厂区布局与网络结构设计

结合工业系统对网络冗余自愈的高要求、对宕机的低容忍度等特点，这里采用虚拟路由器冗余协议(VRRP)和介质冗余协议(MRP)相结合的方式，使三层交换机(A和B)互为热备份，不仅降低了交换机的故障影响，也避免了网络循环、广播风暴等问题出现。

2.1 厂区布局设计

工业通信网络结构分为管理层网络、接入层网络、无线覆盖接入网络和AGV小车终端网络4部分。管理层包含控制中心和生产线主交换机，设在控制中心，负责传输数据流和控制网络资源访问。接入层设在生产线，用以连接无线接入点AP设备，负责生产数据的采集传输。无线覆盖接入网络是由不同信道的AP所组成的网络；AGV小车终端网络则负责AGV系统与控制中心间指令以及数据的采集传输处理。

某工厂厂区主要由控制中心和车间两部分构成。如图3所示，车间按直线排列，每个长度约200米，AGV小车从车间1到6沿环形轨道运行。控制中心与车间生产线进行有线通讯，AGV小车信号以无线形式接入主网络，实现与控制中心的通讯。

2.2 利用MRP协议减少链路故障重组时间

介质冗余协议是对环型以太网进行状态监控与控制实现冗余度的环网协议。通过建立环形拓扑，环型以太网中的交换机或线路的单个故障可以由该MRP协议补偿。通过交换机的WEB页面配置，将所有环网端口的连接设为全双工和1000 Mbps。管理层的三层交换机A与B设为冗余管理器，与作为冗余客户端的交换机组成环网，环网由冗余管理器进行管理。

图4为交换机A在不同情况下MRP工作状态。冗余管理器在两个端口上每间隔一定时间发出测试帧，当测试帧每次都顺利到达另一环口，冗余管理器就会认为环网畅通。此外，冗余管理器会阻塞一个环口中除测试帧以外的所有报文，从而将环网转换为线型网络，避免无线循环的广播。

图4 交换机在不同情况下MRP工作状态示意图

当冗余管理器未接收到随后的测试帧时，冗余管理器将会重构，通过其阻塞的端口进行连接通讯。MRP最大重构时间为200 ms，为了保证网络重构期间IO不会掉站，需要将IO设备的看门狗时间设置为200ms以上。MRP具有拓展性，能在毫秒级内快速检测网络错误并建立冗余的网络路径，减少重新配置网络的时间，为小型和超大型网络实施并具有拓展性。

2.3 使用VRRP协议降低单点故障

整个通讯链路中，在数据传输过程中，除了要避免网络循环外等链路引起的故障外，更需要考虑作为传输关键节点的交换机的故障排除问题。虚拟路由器冗余协议(VRRP)可以解决静态配置问题，能将一组路由器组成虚拟路由器(VR)。三层交换机A和B具有路由选择和VLAN功能，A和B以逻辑组的形式组成VR，并使用相同的虚拟ID，二者互为热备，互相监测着彼此的运行状态。

为防止交换机自主选举根桥的资源开销及不确定性，在网络搭建时，设置端口优先级，将交换机A设为主虚拟路由器即根桥交换机，优先级为255。整个VR使用交换机A的物理以太网接口的IP地址，A负责转发发送到该IP地址的数据包。交换机B为备用路由器，优先级在1-254中任意设置。在非根桥交换机上依据最低根路径开销，选举出根端口和最优路径。

图5为不同情况下VRRP工作状态。交换机A将虚拟的IP地址和MAC地址分配给其网络接口，同时交换机A间隔一定时间将VRRP数据包发送给交换机B，向交换机B说明自己的运行状态。当交换机A发生故障，优先级较高的交换机B迅速启动成为主虚拟路由器，代替交换机A成为主虚拟路由器，负责处理来自控制中心和客户端的数据包，确保链路不间断的工作。VRRP降低了网络中交换机单点故障的可能性。

图5 不同情况下VRRP工作状态示意图

2.4 故障检测与远程维护

环网冗余采用循环检测和故障报警两种故障检测机制，目的是收集链路与故障数据以及警报检测。冗余管理器每间隔T时刻收发环状态检测报文，冗余客户端依次接收并转发，实现循环检测[13]。

当冗余客户端接收的状态检测报文不能转发到下一个副节点，即检测到链路故障，有故障的IO设备就在控制器生成诊断报警。随即冗余客户端发送链路告警报文给冗余管理器；冗余管理器收到两个及以上链路告警报文后，将备用端口变成转发状态。一定时间内，冗余管理器通过是否收到绕回的环状态检测报文，判断环网是否恢复正常。此报警控制机制启用程序中相应出错子程序的调用，从而确保IO控制器对错误有序处理。

远程维护实现集中管理和控制设备，跨越长距离的访问各生产单元的组件，科实现等同于现场编程和诊断的功能；不仅可以快速地解决设备和生产单元间出现的问题，还可以缩短现场较长的服务时间。本方案通过建立外网对办公网络的端对端的VPN通道，通过安全模块ACALANCE S的VPN隧道来实现远程操作。

3 网络构建与实施检测

3.1 设备的分布与连接

为了减少设备数量和安装维护成本，同时确保小车高速移动时保持不间断的数据和信号无缝传输，结合实际情况，全厂区采用覆盖半径为200米的全向天线，以170米的间距沿轨道交叠布置，如图6所示。

图6 工厂车间布局示意图

在无线通讯中，为了增强无线通讯的抗干扰性，采用IEEE802.11r的模式工作。此外，5 GHz频段的信道速度快而且比2.4 G更加抗干扰，所以将工作区定在5.725～5.825 GHz频段，并分成四个信道，如图7所示。为了避免在相同覆盖区域内，相邻全向天线AP因共享信道引起冲突导致负荷增加，AP的信道依次设定为1-2-3-4-1…。当个别全向天线AP故障时，故障AP的传输范围仍能被相邻的AP覆盖，信号和数据仍能在全网范围内不间断传输。

图7 信道选择示意图

结合工厂布局，为满足大量的数据传输需求，选择标准传输距离不得超过750米的1000 Mbps多模光纤传输。为了节约设备成本，考虑到实际接线环境与方式，采用跨接方式实现多站点、长距离的光纤连接，如图8所示，跨接顺序为：1-3-5-6-4-2。

图8 交换机跨接方式连接示意图

3.2 安全模块功能的应用实现

由于安全机制，如认证数据加密或访问控制，SCALANCE S模块能够保护自动化单元免受数据间谍、未经授权的访问和不必要的通信负载。即使在外部网络发生干扰的情况下，自动化小区内的数据流量仍然不受影响。SCALANCE S模块独立于所使用的应用协议保护通信。所有基于IP的协议和仍然广泛使用的自动化工程二层协议可以轻松地以这种方式进行保护，而不会限制允许的生产数据流量。SOFTNET安全客户端允许对受SCALANCE S保护的设备进行安全访问。

在使用该组态时，允许从内部子网发送到外部网络中PC1节点的所有数据包通过防火墙转发到外部网络的数据包包含有安全模块的IP地址以及动态分配的端口号。只允许对这些数据包的回复从外部网络通过。

在工业生产过程中，为了确保生产数据的安全可靠性，需要考虑将工厂生产网络与工厂办公网络分离。在使用该组态时，只能从内部网络发起IP流量的传输；仅允许外部网络的响应，防止未授权的设备和流量进入。

3.3 组态的参数设定与激活

利用西门子SCALANCE S安全模块作为防火墙与NAT路由器。为了测试通信网络是否正常，首先需要对PC进行IP设置。在外部网络上位机中安装并启动安全组态工具，在创建新项目过程中，用一个用户名和相应的密码创建一个新用户。

表1 PC的IP设置

创建模块时，按照设置要求输入MAC地址、外部IP地址(192.168.2.1)和外部子网掩码(255.255.255.0)。在组态NAT路由器时，选择路由模式并激活NAT，同时为内部接口添加相应的IP地址(192.168.1.1)和子网掩码(255.255.255.0)。经过参数设置组态NAT规则，允许组态的地址转换方向上的通信。

在分配规则集过程中，可以通过打开用于设置属性的对话框并选择“防火墙”选项卡来检查分配情况。用户特定的IP规则集保存在“IP规则”子选项卡里。经过设置并分配用户特定的IP规则集，使得离线组态已完成。

此外，通过添加发往PC2的IP地址的帧的目标IP地址(192.168.2.100)进一步指定此防火墙的规则，同时在整个过程中可以通过设置，记录适用所定义规则的数据包。将组态成功地下载到安全模块中，安全模块将自动重启并激活新组态，使设备处于工作状态。

3.4 ping命令测试防火墙

最后使用ping测试来测试防火墙功能。由于组态，ping数据包可以从内部网络传递到外部网络，外部网络中的PC已回复ping数据包。安全模块作为防火墙具有状态检查功能，可以使用从内部到外部的IP数据流量来测试。在PC1中调用“命令提示符”，输入PC1对PC2执行的ping命令“ping 192.168.2.100”。如果ping通，测试结果显示为Lost=0(0% loss)，这说明IP数据包已到达PC2，网络通信正常。此外，将安全组态切换到在线模式进行在线诊断，从安全模块中查看数据包过滤日志条目。当从PC1到PC2的数据包IP地址以安全模块的外部IP地址(192.168.2.1)显示在外部网络接口上，则证明网络连接良好。

4 总结

工业通讯网络已经成为当今自动化过程应用中的重要内容，从现场设备到操作系统、人机接口等，已深入到工业自动化的各个层次。本文对工业以太网通讯进行了需求分析、技术选择和网络构建，以交换机互为热备份的设计为基础，综合利用了虚拟路由器冗余协议和介质冗余协议，提升了系统对宕机的容忍度和网络的稳定性。在当前的大数据时代，如何保护网络，确保数据不丢失是整个生产线的重点。本文通过设置安全模块功能，对内部网络和数据进行保护，并利用了组播监听和快速漫游等技术，不仅提升了信息交换速率，更确保传输数据的安全性，最终制定出兼容经济性、技术拓展性和可复制性的方案。