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如何构建敏捷高效的车间园区网络

2015年9月16日     来源:e-works        作者:e-works  王聪       
关键字:车间园区网络  网络建设  
用信息技术改造传统产业,用信息化带动工业化,实现跨越式发展,己成为基本国策。目前制造企业在日益发展壮大的同时,网络运转却日趋缓慢,存在网络带宽质量不高、管理松散等诸多问题。从长远发展的战略考虑,需精心规划和积极构建企业网络,深化信息的共享、交互。对此,制造企业需构建集团信息网络平台,既确保生产运行安全互联,又能填平信息鸿沟,构造畅通无阻的网络流通平台,提高沟通协作效率,并降低投资成本和运行维护费用。在规划与建设一个企业园区网络的时候,这些部分都要充分考虑。同时,企业园区网络还面临着新技术不断涌现

    用信息技术改造传统产业,用信息化带动工业化,实现跨越式发展,己成为基本国策。目前制造企业在日益发展壮大的同时,网络运转却日趋缓慢,存在网络带宽质量不高、管理松散等诸多问题。从长远发展的战略考虑,需精心规划和积极构建企业网络,深化信息的共享、交互。对此,制造企业需构建集团信息网络平台,既确保生产运行安全互联,又能填平信息鸿沟,构造畅通无阻的网络流通平台,提高沟通协作效率,并降低投资成本和运行维护费用。在规划与建设一个企业园区网络的时候,这些部分都要充分考虑。同时,企业园区网络还面临着新技术不断涌现、企业应用不断增加的现实问题,制造企业需要构建一个保障企业发展,同时兼顾已有设备的投资保护的企业园区网络。

    作为车间网络功能的基本要求,在设计上既要满足工业要求,又要保证系统的安全可靠性和实用性。具体包含:

    先进性:系统的主机系统、网络平台、均应使用目前国际上较先进、较成熟的技术,符合国际标准和规范;

    标准性:所采用技术的标准化,可以保证网络发展的一致性,增强网络的兼容性,以达到网络的互连与开放。为确保将来不同厂家设备、不同应用、不同协议连接,整个网络从设计、技术和设备的选择,必须支持国际标准的网络接口和协议,以提供高度的开放性;

    兼容性:跟网络规划与现有光纤传输网及将要改造的分配网有良好的兼容,在采用先进技术的前提下,最大可能地保护已有投资,并能在已有的网络上扩展多种业务;

    可升级和可扩展性:随着技术不断发展,新的标准和功能不断增加,网络设备必须可以通过网络进行升级,以提供更先进、更多的功能。在网络建成后,随着应用和用户的增加,核心骨干网络设备的交换能力和容量必须能作出线性的增长。设备应能提供高端口密度、模块化的设计以及多种类接口、技术的选择,以方便未来更灵活的扩展;

    可靠性:由于工厂车间是24小时运转,需满足7x24小时连续运行,从硬件和软件两方面来保证系统的高可靠性。系统的主要部件采用冗余结构,如:传输方式的备份。在软件可靠性上充分考虑异常情况的处理,具有强的容错能力、错误恢复能力、错误记录及预警能力并给用户以提示;并具有进程监控管理功能,保证各进程的可靠运行数据库系统应。在网络结构稳定性方面,当增加/扩充应用子系统时,不影响网络的整体结构以及整体性能,对关键的网络连接采用主备方式,已保证数据的传输的可靠性。此外,系统应具有较强的容灾容错能力,具有完善的系统恢复和安全机制;

    可管理性:网络中的任何设备均可以通过网络管理平台进行控制,网络的设备状态,故障报警等都可以通过网管平台进行监控,通过网络管理平台简化管理工作,提高网络管理的效率。

    整体网络解决方案总体设计以高性能、高可靠性、高安全性、有线无线一体化和统一的网管系统为原则,以及考虑到技术的先进性、成熟性,并采用模块化的设计方法。由于工业以太网作为厂区的基础网络,首先得必须保证7*24*365天的可用性,必须能够不间断的可操作,能够确保系统的可访问性,数据能够实时进行传输,需要有完备的保护方案。车间所用设施均必须采用工业级别,具有电信级性能特征,可耐受严苛的工作环境。

CPS层网络设计

    生产车间CPS层是主要面向对象为生产设备状态参数和生产工艺参数,为其他系统提供基础数据,其构成以现场总线(Field Bus)为主,传感器执行器与基础自动化集成采用可靠的现场总线。现场总线是一种工业数据总线,它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。总线

    网络要求:

    1.现场控制设备具有通信功能,便于构成工厂底层控制网络;

    2.通信标准的公开、一致,使系统具备开放性,设备间具有互可操作性;

    3.功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性;

    4.控制功能下放到现场,使控制系统结构具备高度的分散。

数据接入层设计

    接入层的网络是面向现场总线及大型PLC以及其他统一标准以太网接口,对于制造企业而言主要功能如下:提供网络信息交互、提供通用用户端口,提供许可控制,包括安全控制和QoS控制。此层采用以太环网的部署模式,环形网络是使用一个连续的环将每台设备连接在一起。它能够保证一台设备上发送的信号可以被环上其他所有的设备都看到。而环网冗余是指交换机是否支持网络出现线缆连接中断的情况出现时,交换机接收到此信息,激活其后备端口,使网络通信恢复正常运行。以太网环冗余技术能够在通信链路发生故障的时候,启用另外一条健全的通信链路,使网络通信的可靠性大大提高。随着以太网在工业控制领域的广泛应用,国内外众多研究机构在网络冗余、容错方面做了大量的工作。各大自动化设备生产厂商也都纷纷提出了自己的网络冗余技术(SW-Ring)解决方案来提高工业以太网的可靠性。

    在这种体系结构内,接入层为终端用户提供10/100M交换端口,并提供到网络汇聚层的上联链路。对于新建工厂可直接铺设光纤网络,辅以无线AP。而对于已有厂房没有电源接口的偏远区域和高危区域有线网络难以敷设,而运营商 3G 信号也存在覆盖盲区,则可通过自建 LTE 生产专网,以 WIFI 热点覆盖为补充的安全监控信息无线网络服务于安全生产工作,将有利于制造企业建立高效灵敏、反应快捷、运行可靠的信息体系,及时掌握安全生产劢态,提高安全生产监督、管理信息化水平和工作效率,保障企业安全生产。

汇聚层网络设计

    汇聚层网络主要完成企业厂房内各生产线接入交换机的汇聚及数据交换和VLAN终结,汇聚层是核心层和接入层的连接模块,主要功能如下:细到粗QoS粒度的转换;提供到核心的路由合并;提供到访问层的路由过滤。因此汇聚层交换机的重要性也是比较高的,一般部署在独立的网络汇聚机柜中,汇聚层接入交换机的流量,一般提供三层交换机功能,汇聚层交换机作为园区网的网关,终结园区网用户的二层流量,进行三层转发。当路由协议应用于这一层时,具有负载均衡、快速收敛和易于扩展等特点,这一层还可作为接入设备的第一跳网关,能够承载校园园区融合业务的需求。根据需要,可以在汇聚交换机上集成增值业务板卡(如防火墙,负载均衡器、WLAN AC控制器)或者旁挂独立的增值业务设备(如WLAN 盒式AC等),为园区网用户提供增值业务。汇聚层与核心层共同组建成骨干网络,所以汇聚设备的性能要求也是比较高的,建议采用10G的链路互联,达到万兆骨干网络。

核心网络设计

    网络核心层的主要工作是交换数据包,核心层的设计应该注意以下两点:

    1.不要在核心层执行网络策略:所谓策略就是一些设备支持的标准或系统管理员定制的规划。牢记核心层的任务是交换数据包,应尽量避免增加核心层路由器配置的复杂程度,因为一旦核心层执行策略出错将导致整个网络瘫痪。

    2)核心层的所有设备应具有充分的可到大性:可到达性是指核心层设备具有足够的路由信息来智能地交换发往网络中任意目的地的数据包。
对此,核心层交换机部署在厂房核心机房中,提供三层交换机功能,必须能够提供高速数据交换和路由快速收敛,要求具有较高的可靠性、稳定性和易扩展性等。建议核心层采用双机冗余备份的方式构造,消除单点故障,设备的关键部分采用冗余模式。从而实现整个骨干网络的高可靠性。在本项目中采用10G链路互联,达到高带宽、高转发性能的效果。    

数据中心

    数据中心的设计目标是实现高冗余、高带宽、高安全性、高可靠性等目的。数据中心内的网络设备主要是:核心交换机、核心防火墙、核心路由器、负载均衡设备。核心交换机的主要功能是连接服务器,因此必须考虑企业未来的业务增长,核心交换机必须具有很好的扩展性,随着以后网络的扩展,必须具有多个插槽,以便以后网络扩展的时候能够增加网络模块。由于核心交换机在整个网络中具有十分重要的地位,因此核心交换机必须具有电信级的可靠性和稳定性,核心网络对数据的快速转发速度要求很高,因此核心交换机需要具备高容量的交换带宽和包转发速率。

责任编辑:王聪
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