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工业以太网网络规划原则
不管“”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一般由控制工程师工业以太网网络规划原则
不管“”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一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、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（如下图1是工业以太网在工业控制系
统的各个层级的应用）b
管理级
操作层级
控制层级
现场层级
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。
管理级
兆字节
数分钟至数小时
每天/班次/小时
操作级
干字节
100毫秒至1秒
数秒至数分钟
控制级
字节
10募秒至100素秒
数素秒至数秒
现场级
位
数慕秒
数毫秒
数据量
响应时间
传辎频率
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）b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）b 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iW）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X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。
Automation island A
图8、同一层级的不同的业务数据流
图