智能工厂的工业信息网络架构设计与实现关键要素探究

张宏松

【摘要】通过运用科学技术，从而搭建起一个工业信息网络，可以有效保障工厂的网络通信安全以及管理安全。基于此，本文将从智能工厂的视域入手，将工厂实际的网络拓扑结构、建设原则、功能需求作为依据，对网络架构做出合理设计，将智能工厂设计厂区方案提出来，并且给予同工厂实际状况相符的网络架构设计方案与通信组网方式。

【关键词】智能工厂;工业信息;网络架构;设计    【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.36.005

现如今，我国正在迅速研发与推广工业信息网络技术，在工业控制方面，已经对网络性能提出了更高、更严格的要求，对于大型智能工厂而言，想要实现集成化的管理与自动化的运行，就必须要采取健全的工业信息网络架构进行支撑。在生产线视域下，分析并设计工业通信网络方案的过程中，需要对工业通信网络中生产线网络架构所起到的重要价值有深入的分析。在应用工业以太网的案例中，对工业领域中工业以太网技术较为基础的网络拓扑、典型应用做出阐述。本文将根据智能工厂所提出的工业信息网络需求，对生产层与控制层进行深入分析，掌握工控网系统的运行特点。并针对工业信息网络运行的实时性、稳定性与安全性等现象，提出相关的处理方案。

1 工业信息网络需求分析及建设原则

1.1 智能工厂信息网络需求分析

针对于智能工厂的信息网络而言，主要同现场的企业管理系统、监控系统、人机界面、控制器以及工艺单元相连，属于智能工厂生产系统中至关重要的传输信息、数据通道，同样，也是确保可以安全、稳定运行生产系统的基础。为了对网络中链路、节点设施在故障问题下可以展开网络通信做出保障，首先，必须要对链路冗余以及设施冗余做出考量;其次，必须要对信息网路的安全性投入高度的重视，安全隔离工厂生产管理层网络以及生产控制层网络，并且在传輸数据、信息时，需要做好加密工作。每一个工艺单元都只可以同控制中心确立通信，不同的工艺单元之间不可通信，以减少无线网络恶意接入问题的发生，对无线通信中数据、信息的可靠与安全传输做出保障。

1.2 工业信息网络建设原则

所谓的智能工厂工业信息网络，属于一个实用性、可靠性、安全性、高效性、先进性的现代网络，其网络系统必须要对以下几个要求有所满足：

第一，先进性。系统结构必须要具备较高的先进性，最好选取业内公认较为先进的技术与设施，通过现代先进管理技术的应用，进而对系统的科学性做出保障。

第二，开放性。网络必须要拥有较高的开放性，同其他网络之间可以达成更高的互联性。

第三，安全性。对网络中工程师站、PLC等设施不会遭受恶意攻击做出保证，同时，各个网络内部可以安全隔离不同层的网络数据。

第四，可靠性。积极采取先进、成熟技术，针对于关键部分，必须要具备充足的备份冗余，网络结构需要拥有容错性能。

第五，可管理性。建设网络必须要对可管理网络运行做出保障。能够实时监控网络性能、发现网络拓扑问题，并且对网络故障做出快速诊断。

第六，经济性。在系统需求满足的条件下，对投资做出节约，选取具备较高性价比的设施。

2 智能工厂设计方案

2.1 工厂网络建设需求与分析

在智能工厂中，主要包含部分为生产工艺单元、控制中心以及生产管理区。针对于生产管理区而言，其中主要安装生产管理系统，并且同控制中心之间展开双向通信;针对于控制中心而言，主要包括PLC、操作员站以及工程师站。其中，PLC的作用便是对各个工艺单元之间的生产做出协调与管控，操作员站能够对运行工厂网络的状态做出监视，并且，可以将生产数据、信息储存于操作员站。而不同的工艺单元，以直线的方式排列，各个工艺单元均配有一个PLC，可以将工艺单元内部生产操作加工控制中加以运用，并且，同控制中心PLC展开通信，而各个工艺单元之间不可通信。为了对整体网络的可靠性做出保障，需要对工厂网络的自愈性、冗余度做出详细考量。

在智能工厂中，其通信网络普遍由生产线、控制中心、生产管理区3个层次组成。以某工厂为例，共计具备生产线6条，均采取直线的形式逐一排列，每一条生产线均为200m的长度，各个生产线保持首尾相连。控制中心与每条生产线采取有线方法展开通信。另外，同第一个工艺单元靠近，保持100m垂直距离的控制中心内部配置PROFINETI/O控制器同工艺单元中PROFINETI/0设施展开数据的实时共享。除此以外，控制中心所设置的操作员站、工程师站，可以对运行工厂网络的状态进行监视，同时，操作员站可以对生产数据做出储存。另外，与控制中心靠近50m垂直距离的生产管理区内安装生产管理系统，同控制中心展开有线、双向通信。并且，远程维护工作站可以利用控制中心同工厂Internet建设可靠、安全连接，必要的情况下，维护生产控制系统程序。

2.2 工业信息网络功能需求

第一，网络冗余。为了对网络节点设施与链路故障发生期间依然能够网络通信做出保障，必须要对链路冗余、设施冗余做出考量。

第二，安全性。安全隔离生产管理层网络以及工厂生产控制层网络，传输数据需加密。利用控制中心、工厂Internet连接远程维护工作站，传输数据需加密。每一个工艺单元都只可以同控制中心确立通信，不同的工艺单元之间不可通信，以减少无线网络恶意接入问题的发生，对无线通信中数据、信息的可靠与安全传输做出保障。

第三，整体IP规划。对整体系统的IP规划做出考量，包含所有网络设施代理IP地址、终端IP地址。

2.3 工业信息网络技术需求

第一，网络冗余。在工业网络中，网络冗余属于关键的保障措施之一。身为一种迅速反应的备份系统，将意外中断风险减轻是其主要的目标，通过对生产连续即时响应，进而实现关键数据流上任何一点失效所产生的影响有效降低。同时，网络主要是通过各个设施、节电设备之间的连接构成。针对于网络故障而言，主要包含链路故障、节点设施故障两种。由此可见，必须要在网络设施、链路上均开展冗余，实现网络冗余度的提升，进而将网络的灵活性、可靠性。

第二，IP规划。在规划工业网络期间，IP地址方案的合理性不仅可以实现网络负荷的减少，还可以为扩展网络奠定坚实的基础。对IP地址合理规划，是对有效使用网络资源、顺利运行网络做出保障的重要因素。在层次网络结构中，连续地址的叠合更为便利，可以实现路由表的大幅度缩减。同时，能够实现算法效率的提高。由此可见，必须要将连续IP地址配置于同一层次的网络中。在每一层次分配地址时，都必须要具备余量，在扩展网络规模期间，需要对叠合地址所需要的连续性做出保障。同时，将网络中层次、设施数量作为依据，划分出一个私有地址。

2.4 网络拓扑结构分析与设计

在设计网络拓扑结构方案期间，工厂存在较为显著的网络分块，通常的情况下，能够划分为无线覆盖层、生产管理区接入层、生产线接入层、生产线汇聚层、控制中心覆盖层。将厂区实际的需求作为依据，设计网络结构为星型环拓扑结构，同时，利用千兆光纤冗余环网作为汇聚层网络，从而将链路冗余得以实现。所谓的网络拓扑结构，就是对传输媒体加以运用，进而于各种设施物理布局相连，换而言之，就是通过某种方法，连接起网络中计算机等设施。总线结构、环型结构、星型结构属于较为常见的结构。在本文中，主要采取星型环拓扑结构，从而在匯聚层中形成环网，以星型拓扑结构将接入层接入环中。此星型环拓扑结构，不仅实现网络整体可靠性的提升，同时，也将网络响应时间减少。

2.5 网络功能实现与故障处理

1.网络功能实现

在规划网络IP期间，所有设施采取B类私有地址块181.1.0.0/16，划分此地址块为诸多个干子网。信息安全模块、交换机等网络设施代替IP采取地址块181.1.0.0/24，PROFINETI/0、操作员站、工程师站、生产管理系统、PROFINETI/0控制器分别采取181.1.5.0/24、181.1.4.0/24、181.1.3.0/24、181.1.2.0/24、181.1.1.0/24私有地址块。

2.汇聚层网络故障

如果汇聚层有光线断线问题发生，那么系统则会将汇聚层交换机中所配置的HRP协议作为依据，将备用链路自动启动，确保可以在300ms里，达成重组网络的目标。网络的变化不会对连接的数据终端造成影响，而对于各工艺单元之间的生产而言，能够采取控制中心PLC做出协调与管控。在故障发生于汇聚层交换机期间，虽然已经断开建设的环网，在2台生产线主交换机中连接接入层交换机，由于端口做出了冗余，所以，网络依然还可以持续运作。

3.接入层网络故障

如果生产线主交换机、生产线接入层交换机有断线问题发生，则接入层交换机需要采取交换机的端口冗余机制，将切换硬件故障实现，如果一条链路有中断问题发生，其余链路则负责此生产线所有的通信传输。

如果故障发生于生产线接入层交换机，针对这一情况，可以利用相邻的工艺单元无线AP将无线客户端接入主网络中，只有部分工艺单元可能无法顺利接入网络。

如果控制中心与生产管理区之间有电缆出现断线事故，也需要将链路聚合的原理作为依据，从而降低带宽为以往的一半，确保不会对正常通信造成影响。

3 结语

综合上述的分析而言，智能工厂保障信息安全、实现可靠运行的关键因素在于工业信息网络。网络设计方案与链路存在冗余设计，能够实现系统可靠性的提升。在工厂信息安全方面，此设计方案主要运用ACL访问技术，可以将外网与内网进行隔离，并且对恶意接入无线网络以及工艺单元问题做出有效规避，整体的设计方案可以对智能工厂的生产需求与通信需求做出全面满足。

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