工业以太网网络规划原则

工业以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。 

近些年来，随着网络技术的发展，以太网进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展，开放的、透明的通讯协议是必然的要求。 

以太网技术引入工业控制领域，其技术优势非常明显。 工业以太网制造现在信息的强大性跟控制的快捷性，能够实现快速的串联跟控制，为现代工业制造实现真正意义上的“E网到底”奠定了良好的基础。 

工业以太网已经被业内认为是未来控制网络的最佳解决方案，也是当前现场总线中的主流技术。工业化的新翘楚就由此诞生。 

不管“工业4.0“还是“工业互联网”其技术本质都是自动化与信息化的深度融合。在融合的过程中网络会不断地增长。不断增长的网络复杂度为工业控制网络的设计方法提出了新的挑战。

目前实际工业应用的网络--般由控制工程师成设计，网络性能主要由控制工程师经验决定。但是随着网络复杂度增加，这难以保持高效与可靠。在大规模网络中，如何确定网络性能的瓶颈变得非常的棘手。并且，小规模网络中获取的网络设计经验未必适用于大规模网络。控制工程师设计工业控制网络需要保障网络QoS性能，避免工业控制网络的性能成为工业自动化系统性能的瓶颈。

工业以太网技术具有价格低廉、安稳牢靠、通讯速率高、软硬件产品丰富、运用广泛以及支持技术成熟等长处，已成为最受欢迎的通讯网络之一。近些年来，跟着网络技术的开展，以太网进入了操控范畴，形成了新式的以太网操控网络技术。这主要是由于工业自动化体系向散布化、智能化操控方面开展，敞开的、透明的通讯协议是必定的要求。以太网技术引进工业操控范畴，其技术优势十分显着。 工业以太网制作现在信息的强壮性跟操控的方便性，能够完成快速的串联跟操控，为现代工业制作完成真实意义上的“一网到底”奠定了优良的基础。工业以太网现已被业内认为是未来操控网络的最佳解决方案，也是当时现场总线中的主流技术（如下图1是工业以太网在工业操控体系的各个层级的运用）。

图1、工业以太网在自动化系统各个层级的应用

在上图中虽然从网络的网络上在自动化系统的各个层级都可以是以太网，但在各个层级上的以太网上运行的协议并不相同，这是由于控制系统的应用决定的。在控制系统的各个层级对传输的数据量、响应时间、传输的频次等的要求如下图2所示。

图2、控制系统各个层级的不同要求

控制系统各个层级的不同要求，使得工业控制网络的规划不能简单地复制IT网络的网络规划。对自动化的控制网络不但考虑网络的规模的大小，还需要考虑自动化不同层级的特点。

所以对于自动化系统的工业以太网络，可以从如下的几个角度去规划和设计网络，如下图3所示。

图3、自动化系统的工业以太网的考虑因素

一、根据网络规模/网络节点数量多少来规划网络

既然工业以太网是由以太网发展而来，所以工业以太网具有以太网的一些特点。对于工业以太网的规划可以参考IT网络规划的一些原则（这是工业以太网规划考虑的一个方面）。对于IT网络的规划往往是从网络规模的大小来规划网络。对于一个小型网络可能只规划一个广播域即可；而对于大型的网络则需要规划多个广播域如下图4和下图5所示。

图4、小型网络采用扁平的网络结构

图5、大型网络采用分层/分广播域的网络结构

上面的网络规划采用的以太网的星型和线性的拓扑结构，若需要更高的网络可用性可采用冗余的网络结构（环型或网状型的网络结构）。考虑使用何种网络冗余架构还需要结合对实时性的要求来考虑。在工业控制层比较多的使用的是环网的网络拓扑结构来提高网络的可用性，如下图6的示例。

图6、环网实现高可用性

二、根据自动化的层级规划网络

如图1所示自动化系统的层级架构，由于各层级对传输的数据量、响应时间、传输的频次等有不同的需求（如图2所示），所以需要按照层级来规划网络，这样可保证每个层级相对的独立性（各通信协议互不影响）。此时可能的网络规划方案如下图7所示。

图7、根据自动化层级规划网络

按照图7的规划方式可以有效实现控制层级的数据流不会进入到现场层级的网络中，进而保证现场网络的实时性能不受其它层级的数据流的影响。从物理上保证了每个层级相对独立性。

三、根据通信业务流类型规划网络

在相同的层级中也会存在着不同的业务数据流，它们对实时性的要求可能相同也可能不同。如下图8所示。它们对实时性的要求相同但它们又属于不同的业务流。

图8、同一层级的不同的业务数据流

图9、按照不同的业务流规划网络

四、根据设备的地理分布情况规划网络

在现场中根据工业的需求设备会安装在不同的位置，将这些分布在不同地理位置上的设备连网。考虑的节约成本且使各工艺段的网络相对清晰往往会按如图10、图11和图12的方式来规划网络。

图10、设备控制柜的网络规划

图11、自动化单元间的网络规划

图12、各工厂之间的网络规划

五、根据工业信息安全的需求规划网络

由于网络规模的不断增大，所以对各层级的网络资源的访问应该通过一种有效的方式控制。这样可以实现数据流只允许在允许的范围内流动。进而实现有效的流量管控。那么这种有效的方式就是网络从信息安全的角度来规划如下图13所示。

在网络中增加一些安全设备实现数据流的控制。

对于自动化系统网络的规划不能从上面所述的这几个方面的某一方面考虑，而是需要全面地综合上述的这些因素来规划出一个合理高效的网络。

工业以太网网络规划总的原则如下：

（1）在项目的起始阶段进行合理的规划，考虑系统层面的网络优化，以获得更好的数据传输质量，节省设备的投资成本和网络安装调试的时间成本。

（2）合理的使用树形拓扑分割网络冲突域，尽量不要使用交换机的级联结构，因为数据帧在网络中传递时，每经过一个交换机，延迟的时间就要积累下来。

（3）使用树形拓扑网络时，按照现场设备之间的通信关系组网。相互之间通信流量比较大的两个现场设备尽可能分布到同一个子网，使子网内的通信流量尽可能大，跨越顶级交换机的两个子网间传输的数据帧尽可能少，这样可以有效减小网络端到端的延迟。

（4）局部的网络拥塞有可能导致整个网络性能的瓶颈，因此各子网通过顶级交换机转发的流量要尽可能均衡分布。