智能工厂的工业信息网络架构设计与实现关键要素探究

智能工厂的工业信息网络架构设计与实现关键要素探究

何鑫

江苏未来网络集团有限公司  江苏南京  210000

摘要：随着科学技术的不断进步，中国已经开始积极投入资源促进社会的信息化建设，加快建设先进的工业信息网络系统，以满足工厂提升生产效率的需求。通过采用先进的工业信息网络，人们不仅能够确保工厂网络传输与控制的安全性，同时实现全程统筹、精准监测、可靠协调的管理，而且还能够满足各种复杂的应用场景。因此，本文基于智能工厂提出的工业信息网络需求，深入分析生产层和控制层，把握工业控制网络系统的运行特点，着重讨论如何在不同的环境下实现最佳的工业信息网络架构设计，为智能工厂的运营提供最佳的解决方案。

关键词：智慧工厂、工业数据分析、网络结构和设备制造。

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

在智能化的工厂里，信息网络扮演着极其重要的角色，不仅可以与企业的实时管理、监督以及各种工序相互联结，而且还可以作为一个有效的沟通桥梁，为整个生产过程提供可靠的支持。为确保工业信息网络的可靠运转，人们必须充分利用各种技术，以确保工业信息网络即使出现问题也可以正常运转。此外，人们还应该极力提升信息系统的安全水平，将企业的运营管理层与生产控制层之间的联系分开，同时对所有的数据与信息实行严格的加密处理。为了确保无线网络的稳定性和安全性，各处理单元必须独自连接到控制中心，并且彼此之间禁止任何形式的交流，这样才能有效地防止对无线网络的恶意攻击，从而确保了数据及其他重要资料可以安全、高效地传递。

1.2工业信息网络建设原则

智能工厂工业信息网络既能够满足实际需求，又能够提供可靠的信息，同时还能够保证网络的安全性、高效性和先进性，从而大大提升工厂的运营效率。工业信息网络建设原则如下所示：

（1）可管理性。可管理性是工业信息网络建设的关键，使得人们能够有效地监测和管理网络，及时发现网络拓扑结构的异常，并迅速进行故障诊断。

（2）安全性。确保工业信息网络中的工程师站、plc等设施不受恶意攻击，而且各网络内不同层的网络数据能够安全隔离。

（3）可靠性。采用最新的技术来提高系统的可靠性和可扩展性，并且确保关键部件具备充足的备份冗余，以及足够的容错性能。

（4）经济。工业信息网络建设要在实现系统基础性能的情况下，节约投资，选择性价比高的设备。

（5）开放性。工业信息网络必须具有高度的开放性，能够与其他网络实现更高的连通性。

（6）先进性。工业信息网络系统结构必须是高度先进的，应当在建设网络时采用行业内公认的最新技术和设备，并结合现代化的管理方法，以确保工业信息网络的可靠性和有效性。

2、智能工厂设计方案

2.1工厂网络建设需求与分析

在智慧型工厂里，三个核心结构构成了整个流水线：生产工艺单元、控制中心以及生产管理区。控制中心负责监测流水线的运行情况，并且可以实时监测流水线的运行状态，进而能够实时监测整个工厂的运营情况，并能够保留所需的生产数据和信息。为了实现这一目标，人们采取了一种新的系统，即PLC，它能够自动检测、调整、维护所有的工序，从而实现对整个工厂的高效管理。比如说，某智能工厂有六条生产线，每条生产线长度都能达200米，并且各个生产线的首部与尾部是连接起来的。控制中心使用了有线技术连接各个生产线，通过在控制中心安装的操作台和工程师台，人们能够实时监测整个工厂的网络运营情况，并且能够将相关的生产信息进行记录。同时，智能工厂要将生产管理系统安置于控制中心附近，使得远程操作更加便捷，它也能够使得控制中心和工厂Internet之间的联网更加稳定和安全，从而保证了生产控制系统的正常运转。

2.2工业信息网络功能需求

（1）网络冗余。当节点设备或链路发生故障时，会影响到工业信息网络的通信，因此要考虑链路冗余和设备冗余，保证故障发生时依旧可以实现网络通信。

（2）安全性。为了确保工业信息网络的安全性，人们采取了严格的加密措施，将工作流程分割为两部分：一部分是生产管理层的网络，另一部分是生产控制层的网络。为了防止无线网络恶意接入，每个工艺单元单独和控制中心进行通信，使得智能工厂内所有的操作都是安全的。

（3）整体IP规划。在规划整个工业信息网络时，应该考虑到所有网络设备的代理和终端的IP地址，以确保其可靠性和可用性。

2.3工业信息网络技术需求

（1）网络冗余是一种重要的技术手段，可以有效地支持工业信息网络的正常运行。作为一个快速响应备份系统，降低意外停机的风险是其主要目标。通过对生产的持续和即时响应，它可以有效地减少任何故障点对关键数据流的影响。工业信息网络是通过多种不同的设备与节能装置相互联系的，其故障通常分为两种：链路故障和节点设施故障。因此，人们需要通过对链路故障和节点设施进行冗余，来改善工业信息网络的灵活性和稳定性。

（2）IP规划是工业信息网络设计中至关重要的一环，它不仅能够帮助减轻网络负担，还能够为网络的扩展提供强大的支撑。科学合理的IP地址规划对于提高网络的效率和稳定性至关重要。在层次网络结构中，连续IP地址的叠加不仅能够有效地减少路由表的数量，而且还能够极大地提升算法的效率。因此，在每一层分配地址时，应当给IP地址留出富余，以确保最佳的性能。在工业信息网络规模扩大的过程中，必须保证叠合地址的连续性，并且根据网络层次和设施数量划分私有地址。

2.4网络拓扑结构分析与设计

当人们考虑如何规划工厂的网络拓扑结构时，会发现工厂的无线覆盖层、生产管理区接入层以及控制中心覆盖层等被分为了不同的网络分块。通过采用千兆光纤冗余环网技术和星形拓扑架构，可以有效地提升网络的冗余性，满足工厂日益增长的需求，并且可以通过网络拓扑结构，有效地把不同的网络元素联系在一起，从而提高工业信息网络的可靠性。换句话说，工业信息网络通过某种方法将网络中的计算机和其他设施连接起来，总线结构、环型结构、星型结构是常见的结构。我国大多数的智能工厂采用星型环拓扑结构在汇聚层形成环形网络，不仅提高了工业信息网络的整体可靠性，而且缩短了网络响应时间。

2.5网络功能实现与故障处理

1.网络功能实现

当制定智能工厂的工业信息网络IP时，会使用B类私有地址块181.1.0.0/16，并把它们划分成若干中继子网。信息安全模块、交换机以及其他相关部件也都使用了这种方式来更新IP。PROFINETI/0、操作站、工程师站、生产管理系统、PROFINETI/0控制器使用的私有地址块分别为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。

2.汇聚层网络故障

如果发生了汇聚层的轻度故障，系统将依靠HRP协议来自动切换到备用线缆，以确保能够在300ms的范围内完成工业信息网络的重建。因此，即使发生了故障，也无法干扰相关的数据传输，而且，人们还能够通过PLC来协助控制生产过程。当汇聚层交换机出现问题时，原本构筑的环状网络被切断，而两台主交换机则被连接了接入层交换机，使得整个工业信息网络依旧能够正常工作。

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发生故障，为了确保系统的正常运行，必须采取端口冗余技术，保证智能工厂依旧可以正常运行。一旦一条链路中断，其余的链路也必须承担起整个生产线的通信任务。如果生产线接入层交换机出现故障，此时无线客户端可以通过相邻的进程单元无线AP接入到主网络，如果在控制中心和生产管理区之间出现了电缆断裂的情况，人们应该采用链路聚合技术，将带宽降至原来的一半，以确保工业信息网络依旧可以实现安全可靠的通信。

3、结语

经过深入分析，智能工厂的正常运行往往取决于其工业信息网络的状况。为此，人们采用了冗余设计，并且在网络结构中加入了ACL访问技术，从而有效地隔离了工厂外部和内部的网络，从而保障工厂的信息安全，满足智能工厂的生产需求和通信需求。

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