基于钢管制造MES系统中的网络设计效果完善

　沙市钢管厂因为市场的需要，将在制管分厂生产线上管理系统MES项目，为配合MES项目的顺利实施，提出了相应的网络设计方案。
　　依据“讲究实用、注重实效、紧密结合实际”的原则，充分应用现代先进的控制、检测、网络、通讯及信息处理技术，对各分厂生产线进行整线信息化、自动化的系统规划，将车间控制系统及数据采集设备通过工业交换机等网络设备连接，构成工业以太环网；自动采集生产线数据，形成相关数据库，为MES系统提供数据源。组建执行网，实现MES终端的数据传输、现场数据录入功能（如图1所示）。
　　1 网络项目建设目标
　　（1）建设稳定可靠的工业控制网络：通过合理的综合布线，将工业级交换机等网络设备采用先进的技术手段组成安全稳定的控制网络，实现贯穿整个产线的通信链路，保证数据的上传、下达；（2）组建支撑整个MES系统的执行网络体系架构：按照核心层、汇聚层、接入层的网络架构体系，组建覆盖全厂的执行网络，实现现场MES终端的有效接入。（3）建立稳定、可靠、高效的网络安全机制，控制网络与执行网络之间采用网闸设备实现两网间的物理隔离，通过网闸数据交互模块实现控制网采集系统的数据、显像检验图片单向传输给MES系统。执行网络与管理网络之间采用硬件防火墙，通过防火墙的安全策略，实现两网间的逻辑隔离，同时通过开放必要的端口保证两网间的资源共享。通过防火墙设备将客户终端隔离于防火墙之外，实现对MES服务器的保护，从而保证系统的正常运行。
　　2 网络规划
　　本方案包含控制环网和执行网络两部分网络设计，控制环网与执行网络通过网闸实现安全隔离，从而保证了控制网内生产控制系统的安全。
　　2.1 控制环网
　　控制环网主要组网设备采用工业级环网交换机，共组建制管分厂控制环网、防腐分厂控制环网。
　　2.2 执行网
　　执行网络采用星型结构，核心层交换机采用2台中高端的交换机，满足MES系统运行的需要，并为以后的信息化建设留有一定的带宽余量。在整个网络系统的规划中依据功能设置分别在制管分厂、防腐分厂各设置一台执行网汇聚交换机，现场MES终端位置通过光电转换设备或接入交换机接入执行网汇聚交换机。
　　3 制管车间网络项目设计
　　3.1 控制层网络建设
　　（1）控制网络的实现。控制网络是将工厂每个工序的控制系统集中到一个网络平台，实现生产数据及控制数据的有效共享及统计，解决各控制系统间的信息孤岛现象，由于控制网络与现场控制系统紧密相关，所用控制网络的稳定性、实时性要求更高，为了保证生产能够持续、安全、稳定的运行，需要采用高可靠性、高安全性的工业网络设备及冗余技术来组建满足工厂现场环境的网络平台。
　　根据工厂级网络设计标准的要求，制管分厂控制网络采用环形结构，通过环形网络的技术特性，充分保证各控制系统的生产数据、检验数据、控制数据、计量仪表数据的有效采集及安全通讯，并在一定程度上降低链路故障或某个设备故障对整个网络的影响。
　　经统计，制管分厂各控制系统每秒产生的业务数据、控制数据及各项计量数据的总和小于15MB，千兆骨干网络有效带宽为1000MB，控制网络采用千兆链路能够满足制管分厂控制系统数据采集的需要并有一定的带宽余量。连接线路采用单模8芯光缆。
　　控制网通过工业 Turbo Ring协议实现环网技术，在网络故障异常时，通过高速冗余环网机制迅速改变接入设备的网络拓扑，保证设备的联机状态，确保工业应用网络持续不间断的运行。Turbo Ring 提供多样弹性拓扑应用，提高系统延伸性。（2）网络结构。网络示意图如图2。
　　（3）网络设备选型。控制网络选用工业环网交换机，选用支持环网协议的交换机，其主要技术参数如下：
　　支持冗余以太网环状网络架构；
　　冗余以太环网和RSTP（IEEE802.1W）能力（全负载状态下恢复时间<20ms）；
　　IGMP Snooping 及GMRP，用来从工业以太网协议中过滤多播流量；
　　支持IEEE802.1Q VLAN 和GVRP协议，使网络规划简单易行；
　　支持IEEE802.1X和SSL，增强网络的安全性；
　　SNMP V1/V2c/V3针对不同等级的网络管理；
　　RMON功能能够提供有效的网络监视和预测能力；
　　冗余双直流电源输入；
　　IP30防护等级，波纹式高强度外壳；
　　导轨/面板式安装；
　　发送Ping命令确定网络的连通性；
　　冗余12～45V直流电源输入，过载保护。
　　（4）网络线路设计。控制网络采用千兆链路，环网骨干链路采用单模8芯光缆。制管分厂控制网络采用单模24芯光缆汇集至公司机房控制网汇集交换机，PLC、计量仪表等通讯设备的上联采用屏蔽网线接入。
　　3.2 执行网
　　（1）执行网络的实现。制管分厂执行网汇聚层交换机采用1台中端汇聚交换机，现场接入交换机采用工业级交换机，现场接入交换机采用千兆链路接入机房核心交换机，现场接入位置通过光纤收发器或直连的方式连接到接入交换机。其中补焊采用无线接入，通过无线基站加无线网卡的方式将补焊接入执行网络。
　　执行层网络交换机间采用虚拟路由冗余协议，实现双链路接入，保证网络通讯的稳定性。现场接入链路采用单模8芯链路。
　　（2）网络结构。网络示意图如下：
　　（3）网络设备选型。接入交换机采用中低端的网络交换机，部分MES终端采用收发器接入执行网络。主要参数如下所示：
　　快速以太网交换机
　　传输速率：10/1000Mbps
　　交换方式：存储-转发
　　端口结构：非模块化
　　端口数量：28个，26个1000Base-X SFP端口，2个千兆Combo口（10/100/1000Base-T或100/1000Base-X）
　　传输模式：全双工/半双工自适应
　　网络标准：IEEE 802.3，IEEE 802.3u，IEEE 802.3ab，IEEE 802.3z，IEEE 802.3x，IEEE 802.1Q，IEEE 802.1d，IEEE 802.1X
　　支持Telnet远程配置、维护
　　支持SNMPv1/v2/v3
　　支持支持WEB管理特性
　　支持系统日志、分级告警
　　安全管理：用户分级管理和口令保护
　　支持IP、MAC、端口、VLAN的组合绑定
　　支持AAA认证，支持Radius、HWTACACS+、NAC等多种方式
　　电源电压：AC 100-240V
　　电源功率：<52W 纠错
　　环境标准：工作温度：0-50℃
　　工作湿度：10%-90%
　　存储温度：-5-55℃
　　存储湿度：10%-90%
　　（4）供电电源及网络箱选型。现场供电采用统一接入220V电源，网络机柜根据现场环境定制。
　　（5）网络线路设计。执行网络现场终端采用百兆接入，千兆链路与机房执行网络核心交换机连接，现场采用单模8芯光缆组建星型网络，上联到机房链路采用单模24芯光缆，网络交换机与MES客户机通讯的连接通过屏蔽网线接入。
　　4 结语
　　MES系统中，网络设计关键要保证网络的可靠性和安性。本方案中，控制网络采用的环网通过工业Turbo Ring协议，在网络故障异常时，能迅速恢复网络联机的高速冗余环网机制，确保各种工业应用网络持续不间断的运作。根据环形网络的技术特性，充分保证各控制系统的生产数据、检验数据、控制数据、计量仪表数据的有效采集及安全通讯，并在一定程度上降低链路故障或某个设备故障对整个网络的影响。执行网络采  用星型拓扑结构，属于集中控制型网络，结构相对简单，便于管理，建网容易，是目前局域网普采用的一种拓扑结构。执行网通过冗余的网闸设备，物理隔离控制网，采用专业数据交互模块实现采集、计量仪表数据单项传输，保证控制网内控制系统的安全。通过防火墙设备逻辑隔离办公网，采用严格的网络安全策略，保护执行网内应用系统的安全。为了保护MES系统服务器的系统安全，通过防火墙及服务器接入交换机逻辑隔离出服务器核心区，将服务器与现场客户端进行隔离。待本网络项目方案实施后，将对整个MES项目形成有力的支撑，为后续MES数据传输，以及传输速率，安全性，可靠性，及时性提供有效保证。注：网闸全称安全隔离网闸，是一种由带有多种控制功能专用硬件在电路上切断网络之间的链路层连接，并能够在网络间进行安全适度的应用数据交换的网络安全设备。安全隔离网闸既能高强度的保证用户网络安全性，同能与其他不信任网络进行信息交换，在交换数据的同时，对应用数据进行各种安全检查。
　　参考文献
　　[1]吴企渊.计算机网络，清华大学出版社，2001年2月.
　　[2]雷震甲.网络工程师教程（第二版），清华大学出版社，2006年8月.