浅析基于烟草行业生产环境星型网络架构应用研究

浅析基于烟草行业生产环境星型网络架构应用研究

刘昌宏,李生春,张志华,李淼,耿肖聪

重庆中烟工业有限责任公司黔江卷烟厂，重庆市，409000

摘要: 星型拓扑结构的网络属于集中控制型网络，整个网络由中心节点执行集中式通行控制管理，各节点间的通信都要通过中心节点。每一个要发送数据的节点都将要发送到数据发送中心节点，再由中心节点负责将数据送到目地节点。因此，中心节点相当复杂，而各个节点的通信处理负担都很小，只需要满足链路的简单通信要求。星型架构网络结构应用在工业生产环境中能够达到控制简单，故障诊断和隔离容易、方便服务的特点。

关键词:烟草行业 网络工程  工控系统

1.前言

随着控制、计算机、通信和网络技术的发展，以太网技术在各领域得以广泛应用，而且其设备成本不断下降，速度也不断提高。由于具有无可比拟的价格与速度优势，百兆及千兆以太网己成为世界范围内应用的标准。半导体技术的发展使以太网技术费用大幅降低，高度集成化也同时降低了网络硬件的费用。以太网技术的稳定性可靠性都得到检验，能够完全胜任控制环境中对实时性、可靠性、抗干扰性的严格要求。在与传统现场总线的对比测试中，以太网显示出了明显的优势，可以满足控制系统各个层次的要求。于是很多厂家提出了基于传统以太网技术来实现现场总线的方案。

然而，由于传统以太网采用了冲突检测载波侦听多路访问((CSMD/CD)机制。同一网络环境下，各个接入网络的设备共享传输介质，在总线竞争时都处于相同地位，会造成不确定的延时等问题。也就是说，传统以太网是一种非确定的网络系统，直接用作工业现场总线会存在一些问题。于是人们就对传统以太网进行改造或在传统以太网基础上加以改进，提出了基于以太网技术来实现现场总线的方案，由此诞生了POWERLINK, EtherCAT, EPA, NCUC-Bus, EtherMAC, SERCOS,EtherNetlIP, ModBusTCP, ProfinetSRT, MECHATROLINK等这些工业实时以太网技术。其中EPA为浙大中控等单位联合提出的具有自主知识产权的国产总线标准;NCUC-Bus为华中数控等多家单位组成的“机床数控系统现场总线技术联盟”联合制定的国产现场总线标准;EtherMAC为山大数控中心自主开发的实时以太网总线技术，当前己成功应用到多个数控系统、工业机器人等运动控制领域。

现场总线的优势

（1）节省硬件与投资

由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感器控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。

（2）节省安装费用

现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计和安装的工作量，据有关典型试验工程的测算资料表明可节约安装费用60%以上。

（3）节省维护开销

由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行状态，诊断维护信息以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

（4）用户具有高度的系统集成主动权:用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。

（5）提高了系统的准确性与可靠性:由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差，同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

工业以太网的优势

工业以太网采用商用以太网技术，并根据采用环境和条件进行改进设计保证在电源抗波动范围、机箱防尘防潮、故障自愈、工作可靠性、芯片工作温度、稳定性及电磁兼容性等方面有更好的性能和特点。工业以太网的优势：

（1）应用广泛

以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发。

（2）通信速率高

10, 100 Mbps的快速以太网已开始广泛应用，1Gbps以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mbps。显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。

（3）成本低廉

以太网网卡的价格较之现场总线网卡要便宜得多(约为1/10)；另外，以太网已经应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多经验，具有相当成熟的技术。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。

国外对以太网作为控制总线的研究已经进入开发阶段。惠普公司应用工EEE1451. 2标准，生产嵌入式以太网控制器具有lOBase-T以太网接口，运行FTP/HTTP/TCP/UDP协议，应用于传感器、驱动器等现场设备。几个主要的现场总线组织也在制定基于以太网的现场总线协议，如Indnstrial Ethernet Association(IEA)等主要现场总线系统制造商也在积极进行现有现场总线和以太网无缝集成的标准制定和技术开发工作。 

在许多领域，已经将工业以太网用于实际工程。在美国德克萨斯州的某实验室中进行测试的HSE连接器技术就是其中的一例。在这个现场岩石控制系统中，数个H1现场总线网段通过连接器连接到HSE主干网上。H1现场设备控制着水位、流量和其他回路，还监视了许多测量量如温度等。其中，HSE主机用来组态和监控连接器及H1设备。每个H1网段有它自己的链路活动调度器(LAS, LinkActive Scheduler)，这些LAS存在于连接器中，负责各H1网段的链路调度。LAS使H1网段在HSE主机脱离主干网的情况下仍能工作。所有或部分HSE网络和设备通过非冗余、松散式冗余和紧凑式冗余方式，达到容错目的。

用发展的眼光看，为实现以太网向现场级的延伸，除了改进以太网的通信协议外，还需要解决网络的本安防爆、总线供电等技术问题。另外以太网层次复杂，在传输、处理数据时效率不如现场总线高。只有当这些问题解决之后，以太网技术才会真正成为现场总线的主角。

将以太网和现场总线相结合是未来控制技术发展的一种趋势。随着技术的改进，标准的建立和对信息集成要求的不断提高，以太网技术应用于现场总线的优势将越来越明显。它将在电力自动化、楼宇自动化、家庭自动化等原先为现场总线统治的领域中，引发又一次的革新。现场总线开创了工业控制开放性的时代，而以太网技术会把开放型的思想在更高的管理与决策层而上得以实现。

2.项目意义

(1)落实公安部发公安网〔2020〕1960号和公司发渝烟工信〔2020〕299号及公司发渝烟工生〔2020〕320号等文件精神，文件明确要求加大工控三级等级保护和关键基础设施等工控领域技术攻关。

(2)工信部发布《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）》，提出5项目标，明确11项工作任务，重点就完善基础设施、彰显融合应用、提升技术创新、增强网络安全保障、健全产业生态等在工业领域科技创新、联合攻关等提出明确要求。

(3)公司“数字化”战略引领，要求易地技改和现有工控系统中加大新技术应用。

(4)将工控系统常见环型组网调整为星型组网，具有很强创新型、实用性和前瞻性，行业内外现有工业控制网络主要采用环形组网，主要因国外厂商，如西门子和赫斯曼等公司推荐环网。

(5)PROFINET协议为代表的工业以太网络常用在工业现场，数字化使得IT（Informatica Technology，信息技术，是用于管理和处理信息所采用的各种技术总称）与OT（Operational Technology，操作技术，是工厂内的自动化控制系统操作专员为自动化控制系统提供支持，确保生产正常运行的专业技术）深度融合，如何设计规划和正确配置网络，保证PROFINET正常运行至关重要。

(6)环网很多技术和设备受制于国外的品牌，如HRP协议为西门子环网所有，要求全套设备配套使用，投入高，在满足生产工艺前提下，可通过采购国内知名品牌并更改组网方式来降低成本，且备品备件易购。

(7)环网运维难度大，故障难排查，而星型网便于故障排查。

(8)星型双核心链路聚合取代环网单核心链路冗余技术且带宽是环网的2倍。

(9)网络安全因环网通讯链路不确定性而管控难度大，星型容易实现集中管控。

(10)为易地技改中工控网络新技术应用提供重要依据。

3.国内外现状分析

摒弃工控传统环型组网而采用星型组网，具有很强创新型、实用性和前瞻性；行业内外现有工业控制网络主要是采用传统环型组网方式，相关组网设备主要是国外厂商推荐环网，导致采购成本高；目前国家要求产品和技术需进行国产化并实现技术自主可控，同时国内厂家也开始在工控领域探索星型组网方式。工控星型组网便于故障排查，实现链路和核心设备冗余，能实现严格按照网络安全要求组网。

近年来，随着工业自动化、智能化需求的提出，工业以太网迎来了发展，从商业应用到工业自动化，以太网经历了技术的发展和突破，未来只要解决行业发展中的一些缺陷，就能为工业控制领域带来更多活力。

所谓工业以太网，既在技术上与商用以太网相兼容，在产品设计上，通过对材质、强度、标准协议等的考虑，以满足工业现场适用性、实时性、稳定性、安全性、可操作性等方面的需求的工业通信网络。

当前，随着工业自动化、智能化发展趋势的日渐显露，以PLC、工业软件、工业机器人等为代表的工业设备产业市场获得了迅速壮大，为了将这些设备构成一个完整的自动化、智能化解决方案，急需一个网络来对各组成部分进行串联。因此，在工厂设备、系统集成，以及工业物联网的需求驱动下，工业以太网迎来了发展和增长。

工业以太网发展现状

近年来，“中国制造2025”战略的提出和深入，带动了一批智能工厂在各地的出现，在这些工厂中，自动化的生产是一方面，数据化的安全又是另一方面，两方面的需求正好给了工业以太网发挥数据传输、设备控制、安全监控等功能的机会，让工业以太网成为助力智能工厂高速、安全、节能运行的重要部分。

在这样的情况下，相关数据显示，工业以太网的市场发展速度一年胜过一年。截至2017年，全球工业以太网增长速度迎来新高，增长率高达22%，市场占有率也从前一年的38%提升到46%，市场发展呈现出一片飞速繁荣景象。

而在技术方面，快速以太网和交换式以太网技术的发展，给工业以太网的非确定性问题带了转机，让其通信确定性和实时性获得有效提升，相关网络技术的发展也对工业以太网的稳定性和可靠性带来保障。同时各种协议的出现，也满足了工业以太网的互操作条件，解决了工业过程控制领域现场设备之间的实时通信问题。

当前发展中主要问题

虽然在相关政策和智能工厂的助力下，工业以太网市场发展极为迅猛，相关技术也取得了不错的突破，但其自身发展依然面临困境。

一方面，工业以太网毕竟是从商业领域延伸过来的，实际应用中必然存在一定的适用性问题，比如工业领域对于网络的抗干扰能力要求就比商业领域更高，商业领域能有效应用的网络在工业领域很可以造成波动或信息丢失。此外，工业以太网的稳定性、时效性、可操作性等方面都有待进一步的改进。

另一方面，标准化多协议一直是困扰工业以太网的主要难题。作为新兴行业的工业以太网，目前并没有制定明确统一的标准，这就导致了发展过程中形成了多种不同的以太网技术，久而久之就构成了不同的阵营。发展至今，已有Ethernet/IP、PROFINET、EtherCAT、Modbus-TCP、Ethernet POWERLINK等多种标准和协议，且每种产品协议的更迭速度也很快，多标准并存的局面在短期内难以打破。

工业以太网自身技术尚不去说，单就多协议问题如果不能解决，长此以往不同标准之间的工业以太网将一直无法实现互联互通，这必定会直接影响到整个行业的前进，尤其是在信息化大时代下，信息无法实现融合交流将成为工业以太网的重大缺陷。

未来发展趋势与前景

如今，凭借着应用广泛、价格低廉、通信速度快、软硬件产品丰富、支持技术较为成熟等优点，以太网已经在工业自动化系统中的资源管理层和执行制造层取得了广泛应用，且不断呈现出向工业控制现场延伸的趋势。

在此趋势的实现过程中，一段时间内工业以太网将与现场总线相结合，通过两者的结合应用为工业控制现场提供安全、稳定、的网络，待到技术和市场更加成熟后，终将对现场总线进行完全取代。

总的来说，工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋，国际电工委员会等组织已经起草了相关以太网标准，意在推动以太网技术在工业控制领域的全面应用，而我国各大院校科研机构也已经取得了相应的技术突破，为以太网在工业现场设备间的通信应用扫除了主要障碍。

未来，随着以太网技术的发展成熟，工业以太网的实时性、安全性、不确定性也将得到更多改善，高性能低成本的工业以太网将会渗透到越来越多工业控制领域之中，持续为工业通信行业注入力量。同时，随着工业以太网从管理层、制造层向控制现场不断发展，其也将如人们赋予它的称号“一网到底”一样，对工业管理、生产、监控实现真正的全面掌控。

4.星型架构网络在工业应用场景设计思路

(1)将工控系统中环型组网方式调整为星型组网方式。

(2)自行设计和开发软件模拟实现制冷设备水位、水温控制，并验证运行可靠性；探索对环境温湿度、变频器电机、照明等智能设备的控制。

(3)利用原有国产品牌交换机和PLC等硬件，对其进行硬件升级，采购包含但不限于传感器、变频器接口模块、光模块、网线、光纤跳线、光纤、CP卡、IO卡、PLC扩展卡、照明、电线等相关备品备件。

(4)将常用工控网络协议（Profinet,Profibus-DP，Modbus，MPI, S7,PPI）融入到项目中。

5.工控系统网络安全应用平台建设内容

将工控环型组网调整为工控星型组网；将PROFINET、DP、MPI等常用工业协议融入项目中，自行设计和开发工控软件系统模拟实现制冷设备水位、水温控制；探索环境温湿度、变频器电机、照明等智能设备控制，验证相关功能实现和运行可靠性；利用原有交换机和PLC等硬件，采购相关备品备件对其硬件升级。工控星型组网便于故障排查，实现链路和核心设备冗余，能严格按照网络安全要求进行组网。

6.关键技术

1)星型网络核心交换机采用双机实现网络核心的冗余，环网的核心交换机只能单机运行。

2)根据设计方案进行工控硬件设备组态。

3)自行设计和开发软件模拟实现制冷设备水位、水温控制，并验证运行可靠性；探索对环境温湿度、变频器电机、照明等智能设备的控制。

4)将常用工控网络协议（Profinet,Profibus-DP，Modbus，MPI, S7,PPI）融入到项目中,并自行开发相应软件功能来验证其通讯可靠性。

7.结论

工业以太网目前主要是国外品牌为主的环型架构组网，现调整为国产品牌为主的星型架构组网，应用在生产中将大幅度降低设备及备件采购成本。将在易地技改中进行应用，组网技术工厂自主可控。使用国产品牌和技术，工控网络安全国家自主可控。因星型网比环型网便于排查网络故障，降低了工控网络运维难度，提高效率。通过方案自主设计和软件开发，提升职工技术能力，同时为技改做好技术储备，为新技术应用提供支撑。

参考文献

[1]途 锐.浅析工业以太网技术及应用[J].电子世界.2016

[2]国内外得到迅速普及工业以太网总线技术[z].中国测控网.2014

[3]滕刚，吴建.基于工业以太网的大型光伏电站监控系统[J].智慧工厂.2016（3）