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[推荐]工业现场的融合网络建设

文章出处:http://www.bjttsf.com    责任编辑:zhao 发布时间:2018-04-10

工业设备种类繁多,工业现场环境复杂多变,通讯技术尤其工业物联网发展非常迅猛,面向未来的工厂现场网络必将是一个融合多种技术的网络架构,而与此同时也需要关注网络安全......


都说工业物联网是智慧工厂的物理基础,如果把现场感知比作人的感官系统,那么工业现场通讯就是人的神经末梢系统。


在现场感知设备、智能装备对制造数据进行抓取之后,如何将这些制造数据传输到各个层次的信息系统和大数据平台?将上层的管理指令下达到底层设备?实现各个设备的互联互通实现更大范围的自动化?这些都是工业现场通讯的关注重点,也是工业物联网和工业大数据的重要衔接环节。

从工业现场通讯的发展历史来看,相关技术的发展大概经历了3个阶段:
  • 现场总线从上世纪80年代逐步发展起来,已成为自动化的标准配置,在过程自动化、制造自动化、楼宇自动化有着成熟的应用,并形成了大量的存量设备;
  • 本世纪初,随着IT技术的发展,以太网技术与现场总线技术的融合,工业以太网在工业现场有了大量应用,并成为工业现场的主流应用;
  • 在特殊环境下,网线敷设比较困难,而一些现场设备需要灵活移动以满足业务需求;于是工业无线网络就成为了补充现场总线、工业以太网的有效补充。
当前工业物联网的发展对于工业现场网络有着极大的影响,各种网络技术也在互相促进和相互融合。网络融合为企业带来便利的同时,也会带来网络安全风险,因此需要持续关注和加大投入。

工业现场网络的融合架构

考虑到工业设备种类繁多、工业现场环境复杂多变、通讯技术特别是工业物联网发展非常迅猛,面向未来的工厂现场网络必将是一个融合了多种技术的网络架构。工知哥从经验入手提出一个工业现场网络的融合架构,供大家参考。


工业现场融合网络的设计考量如下:

●  工业以太网为主干,满足PLC/DCS、操作终端、上层服务器的通信要求,建议采用千兆光纤双环,以保证稳定可靠;

●  工业以太网或现场总线来支持PLC/DCS与现场传感器、执行机构的通信。考虑到工业以太网具有一网到底的优势,从通信功能而言,优先选择工业以太网来实现现场IO通讯;

●  无线MESH网络满足移动作业、物资配送的设备或终端通信需求;

●  无线传感器网络满足新增仪表的通讯要求。

此融合网络是基于工厂自身建设的考量,基于低功耗广域物联网(LPWAN)的通讯技术(如NB-IOT)也可以是融合网络的有效补充和延展。

现场总线

现场总线出现之前,工业自动化普遍采用4-20mA的电流信号,传输到PLC或DCS后经过模数转换呈现为数字化信号。而现场总线以数字通信方式,替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输,是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。

现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层,作为工厂设备级基础通讯网络,要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点:具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定,多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。

目前国际上有40多种现场总线,常见的现场总线包括ControlNet、Profibus 、FF HSE、WorldFIP现场总线、INTERBUS、FF H1现场总线。


工业以太网

目前常用的现场总线已经有数十种,但这些现场总线难以形成统一的标准,多种现场总线互不兼容,不同公司的控制器之间不能实现高速的实时数据传输,并与信息网络存在协议上的鸿沟,导致“自动化孤岛”现象的出现。

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术,在技术上与商用以太网(即IEEE 802.3标准)兼容,但是实际产品和应用却又完全不同。这主要表现普通商用以太网的产品设计时,在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面不能满足工业现场的需要。故在工业现场控制应用的是与商用以太网不同的工业以太网。

工业以太网也有十来种,包括Profinet、Modbus TCP、Ethernet/IP、HSE、Ethernet Powerlink、EtherCAT。各种工业以太网的区别其实就是协议的区别,其中更主要的还是应用层协议的区别。


无线MESH网络

无线Mesh网络(无线网状网络)是一种基于多跳路由,对等网络技术的新型网络结构,具有移动宽频的特性,同时它本身可以动态地不断扩展,自组网,自管理,自动修复,自我平衡。相对于WIFI,无线Mesh组网方式,传输距离以及移动性上都有很大的改进,特别是它具有兼容的Wi-Fi的特性,因此无线Mesh网络会对WIFI在增加传输距离和移动性,扩展的Wi-Fi应用上提供很大帮助。


无线传感器网络

无线传感器网络(wireless sensor network,wsn)是由许多集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源受限(指计算、存储和能源方面的限制)的嵌人式节点通过无线方式互连起来的网络。也指在特定应用环境中布置的传感器节点以无线通信方式组织成网络,传感器节点完成指定的数据采集工作,节点通过无线传感器网络将数据发送到网络中,并最终由特定的应用接收。

常见的无线传感器网络包括ZigBee、WirelessHart、MiWi。


工业通信网关

工业正迈入一个全新的物联网时代,工厂现场有着数以万计的设备、传感器,这些设备的通讯能力各不相同。如何实现现场设备的互联互通,就需要工业通信网关了。工业通信网关将不同体系、不同平台、不同架构的设备间进行互联、互通、互操作。

一般来说,工业通信网关需要具备以下能力:
具备现场总线协议的解析能力,包括串行通讯协议,如Modbus、PPI、MPI、CNC等;现场总线协议:CAN、PROFIBUS等;

支持无线传感器网络协议:ZigBee、WirelessHart等);

具备对上(IT系统)的协议对接能力,对上的通讯能力(以太网,WIFI,3G,4G,NB-IOT等);

具备私有协议二次开发能力;

具备数据缓存,本地计算(雾计算/边缘计算)的能力。


工业网络安全

随着网络融合,特别是现场网络与管理网络甚至互联网的互联互通,信息安全问题成为了工业现场网络必须关注的问题。

过去由于工业现场系统多是以现场总线进行通讯,工业现场对于网络安全关注甚少。2009 年美国使用“震网”(Stuxnet)病毒来攻击伊朗地下核设施,这是较早的针对工控网络的攻击;而随着工业以太网络普及导入之后,现场网络遭受的攻击日趋增多;2016年更是出现完全基于PLC的病毒。


因此企业需要在网络建设和网络管理方面加大对网络安全的关注和投入:

安全的工业控制产品,自身具备信息安全能力和认证的PLC/DCS等控制产品;

安全的现场控制网络,在现场控制网中构建纵深防御/监控预警/快速恢复等多维度的安全体系;

网络安全管理;将现场网络安全管理纳入到企业的网络安全管理。