1、浙江大学硕士学位论文 Abstracti石化工业控制网络的设计与分析测试摘要近年来，工业自动化控制项目的规模呈现出持续扩大的趋势。这就势必对工业控制网络提出了更高的要求。其主要体现在以太网网络的构建以及整体网络的诊断管理上。本文通过对现 有的一些工业控制项目的网络搭建及管理方案进行了解分析，提出了“ 三横三纵”的石化工业以太网络搭建模式以及针对该模式的网络VLAN 划分和管理模式。全文遵循工业项目网络设计的步骤，通过示例和理论相结合的方法，首先阐述了控制室到现场之间由冗余控制网和信息网相互集成的“三横三纵” 的网络构建方式。其次说明分析了 VLAN 的具体划分和应用配置，包括基于赫斯曼交换机的
2、VLAN 技术和配置方法。并针对提出的网络构建方式进行 VLAN 的规划划分，通过划分好的 VLAN 功能进行以太网通讯测试和 DCS 系统运行测试，验证其实际可用性。虽然该配置方案增加了工程现场的维护难度，但总体上较好的解决了工业网络错综复杂的区域划分和管理问题。最后，提出基于全网诊断软件的全局网络诊断管理模式。并针对全网 诊断软件这一在工业控制网络的创新应用，通过一系列的测试，评估其在工业领 域的应用性及前景。 关键词： 工业控制网络，VLAN，全网 诊断浙江大学硕士学位论文 AbstractiiAbstractIn recent years, the scale of industria
3、l automation control project, presents the trend of sustained widening. So that it will need higher requirements of industrial control network. These requirements mainly embodied in Ethernet network building and the diagnosis of overall network management. According to the analysis of network buildi
4、ng and management based on some existing industrial control network, this paper puts forward the petrochemical industrial Ethernet network building mode named Three Horizontal & Three Vertical, and the network VLAN division and management pattern of this mode. Through the method of combining the exa
5、mples and theory, all this paper follows the step of industrial project network design, firstly, expounds the Three Horizontal & Three Vertical network building mode, which depends on the integration of redundant control network and information network from control room to field. Secondly, analyses
6、the specific VLAN division and application configuration, including VLAN technology and configuration method based on the Hirschmann switches, and makes a VLAN division of proposed network structure. Then, verifies the actual availability through the Ethernet communication test and the DCS system ru
7、nning test. Although this configuration increases the difficulty of project on-site maintenance, but overall, it is a better solution to complex industrial networks zoning and management issues. Finally, it will put forward the entire network diagnostic management mode based on entire network diagno
8、stic software. This paper also analyzes the applicability and prospect of the entire network diagnosis software through a series of tests, which regarded as innovation of the industrial control network. Key Words：Industrial Control Network, VLAN, Entire Network Diagnostic浙江大学硕士学位论文 目录I目录摘要 .iAbstrac
9、t.ii目录 .I图目录 .III表目录 .IV第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.1.1 工业以 太网络 .11.1.2 VLAN 技术 .21.1.3 全局网络管理 .31.2 发展与现状 .31.2.1 冗余网络模式的发展 .31.2.2 控制网和信息网的 集成 .41.2.3 VLAN 技术的发展 .41.2.4 全网诊断管理模式的提出 .41.3 现有研究工作中存在的问题 .51.3.1 网络架构的搭建 .51.3.2 VLAN 的划分 .51.3.3 全网诊断软件应用测试 .61.4 研究内容与组织架构 .61.5 本章小结 .6第 2 章 网络架构搭建 .72.1 整
10、体架构及 IP 地址规划 .72.2 FA 层详细网络构建 .102.3 CA 层详细网络构建 .122.4 TA 层详细网络构建 .132.5 本章小结 .14第 3 章 VLAN 的划分配置 .153.1 赫斯曼 VLAN 技术方案 .153.2 赫斯曼 VLAN 配置方法 .163.3 项目 VLAN 划分设计 .223.4 项目 VLAN 测试 .253.4.1 各区域数据隔断和总工程师域数据集中管理测试 .253.4.2 VLAN 配置后时钟同步测试 .263.4.3 各装置和总工程师域的 DCS 系统运行相关测试 .27浙江大学硕士学位论文 目录II3.4.4 VLAN 配置后的网
11、络通信情况测试 .283.5 本章小结 .29第 4 章 全网诊断软件的应用与测试评估 .304.1 赫斯曼全网诊断软件概述 .304.2 赫斯曼诊断软件主要功能测试 .314.2.1 扫描功能测试 .314.2.2 拓补功能测试 .334.2.3 报警功能测试 .354.2.4 信息查询功能测试 .364.3 赫斯曼诊断软件在工业网络的诊断内容 .384.4 全网诊断管理模式使用评估 .424.5 本章小结 .43第 5 章 结束语 .445.1 本文总结 .445.2 进一步的工作 .45参考文献 .46作者 简历 .48致谢 .49浙江大学硕士学位论文 图目录III图目录图 2.1 工业
12、项目网络架构交换机连接 .8图 2.2 FA 层详细网络架构 .11图 2.3 CA 层详细网络架构 .12图 2.4 TA 层详细网络架构 .13图 3.1 赫斯曼 Cross VLAN 示意图 .15图 3.2 三交换机简要网络架构 .16图 3.3 赫斯曼交换机登录页面 .17图 3.4 VLAN 模式配置页面 .18图 3.5 VLAN 创建及配置页面 .18图 3.6 VLAN ID 配置页 面 .19图 3.7 交换机配置保存页面 .20图 3.8 交换机配置热复位保存页面 .20图 3.9 石化项目网络架构拓补图 .22图 3.10 FA 层交换机 VLAN 配置 .24图 3.
13、11 CA 层交换机 VLAN 配置 .25图 3.12 TA 层交换机 VLAN 配置 .25图 4.1 赫斯曼全网诊断软件使用界面 .31图 4.2 扫描显示界面 .32图 4.3 拓补功能界面 .33图 4.4 拓补搜索功能界面 .34图 4.5 拓补“ 网络云” 显示 .34图 4.6 网络异常拓补显示 .35图 4.7 网络异常恢复拓补显示 .35图 4.8 交换机信息查询界面 .36图 4.9 交换机端口信息查询界面 .37图 4.10 链路流量查询界面 .37图 4.11 链路流量报警 .38图 4.12 控制站故障/恢复拓补图变化 .39图 4.13 交换机故障/恢复拓补图变化
14、 .40浙江大学硕士学位论文 表目录IV表目录表 2.1 曼交换机简单硬件测试 .9表 2.2 FA 层网络地址分配范围表 .11表 2.3 CA 层网络地址分配范围表 .13表 3.1 三交换机简要架构 VLAN 配置表 .21表 3.2 三交换机简要架构 Ping 测试 .21表 3.3 交换机各端口可通过 VLAN 表 .23表 3.4 不同区域间数据隔离测试记录表 .26表 3.5 VLAN 配置下各区域操作测试结果 .28表 3.6 交换机的 CPU 负荷的测试记录 .29表 4.1 扫描时间测试记录表 .32表 4.2 交换机诊断测试记录表 .38表 4.3 网络连接诊断测试记录表
15、 .41浙江大学硕士学位论文 第 1 章 绪论1章 1 章 绪论计算机网络，从 20 世纪 50 年代发展到现在，已 经有 60 年左右的历程。 现今，网络无疑已经成为人类生活，工作中不可或缺的一样东西。没有网络的日子， 对于信息化的 21 世纪来说是难以想象的。民用、商用、军用，各个领域无不充斥着网络信息技术。网络也成为 很多科技行业得以进一步发展的重要基石之一。自动化领域也受到网络技术发展的巨大冲击，也开始逐步进行一些转变。早期的集散控制系统（DCS，Distributed Control System）、现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）开始和以太
16、网络相结合，工业控制网络慢慢向由工业以太网为核心的网络架构转变。工业控制网络，顾名思义，就是自动控制系统和各种工业设备之间的联系枢纽 1。这样 的网 络，规模往往比较大。一方面表现在设备的分布性，一方面体现在数据流量上。如何通过以太网中的技术，合理 规划网 络布局，降低网 络负荷，提高网络利用率，是各项工业项 目中较为重视的问题。与此同时， 对如此大规模的网络进行有效的监控管理，是操作员和管理员最为关心的内容。这点也是保障工业进程安全可靠运转不可或缺的一项。如何通过简单实用的以太网技术撑起整个网络的骨架，并利用软件对其进行有效的管理，是现阶段工控 项目中较为重视的问题。针对该问题， 结合现阶段
17、的工业网络发展趋势，提出了一种工业控制网络构建及管理模式。1.1 课题背景1.1.1 工业以太网络Internet 信息技术的快速发展，受到了国内外工控技术专家们的高度重视。以太网具有高速低耗的特点，而且其支持所有常用的网络协议，标准较易统一。 这是以往的集散控制系统（DCS ）和现场总线控制系统（FCS ）所欠缺的。凭借着这些优势，以太网络已成为工业项 目中的主干网络 2。技术层面上，近几年，以太网通信技术的提高，交 换 技术的发展，逐步完善的技术基础为以太网在工业现场设备间通信的应用提供了有利的保障。使得企业所期盼的从现场控制层到管理层的全面无缝信息集成模式成为可能。浙江大学硕士学位论文
18、第 1 章 绪论2而在标准方面，国际电工委员会 IEC 着手起草了实时以太网(Real-time Ethernet，RTE)标准，旨在推动以太网技术在工业控制 领域的全面应用， 针对这种形势，在国内，以浙江大学牵头，浙大中控 为主、中科院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院等多家单位合作，在国家“863”计划的支持下，开展了 EPA(Ethernet for Plant Automation)技术的研究， 经过三年多的努力，EPA 被 IEC 正式收录 3。有了技术和标准的双重保障，基于以太网的工业控制网络迅速得到发展应用，其前景非常乐观。美国权威机构 ARC（Automation Research
19、 Company）和 VDC（Venture Development Corp）都曾在其调查报告中指出，以太网将不再只垄断民用、商用的计算机网络通信，还将广泛用于工业控制系统的网络通信。1.1.2 VLAN 技术虚拟局域网（VLAN）技术，是一种在不受网络物理位置限制情况下将网络划分成多个逻辑子网的技术。 该技术在初期较多应用于公司企业、校园的网络中 4。随着网络技术的发展，VLAN 技术也在不断的提高改进，如何将其运用于安全性、可靠性要求更高的工业生产控制环节，也逐渐成为工控企业所重视的内容。之所以如此强调 VLAN 技术的重要性，是因为其作为工业以太网中的重要技术之一，可以为工业控制项 目
20、带来以下几点保障：1.隔离广播风暴。工业项目一般规模较大， 计算机、控制器数量多。庞大的数据信息所造成的网络带宽消耗和延迟，往往会导致网络传输效率的下降。大量的广播信息极有可能引起网络堵塞。通过划分 VLAN，可以把广播信息限制在VLAN 中， 这样 就减小了广播域的范围， 进而降低网 络堵塞的可能，提高了网络传输率；2.增强网络安全。由于划分后的 VLAN，相互之 间不能直接进行数据通信，而要依靠三层交换机的技术，通 过交换机设备来进行通信，这就在某种程度上对各VLAN 内的数据起到了一定的保护作用，从而有效提高安全性 5；3.简化网络管理。VLAN 中的工作站和服务器可以不受地理位置的限制
21、，从而将分散开的设备，划分到同一个 VLAN 内。 这就 给网络的管理和维护带来了便利；4.提高网络性能。在工业现场中，同一工作性 质的装置往往有专门的工作组负责。工程中也常将这样的一 组装置及工作组划分到一个 VLAN 中，在减少VLAN 间数据流量的同时，使得工作组能更好的管理自己组内的设备装置 6。浙江大学硕士学位论文 第 1 章 绪论31.1.3 全局网络管理工程中将网络构建好后，对其进行长期直观的监控管理是不容忽视的一个问题。尤其是和生产利益直接挂 钩的工业项目，某些数据的丢失往往就会带来不小的损失。在一些小规模的项 目中，因 为网络架构较为简单，管理排 错较为容易，在网络故障诊断方
22、面往往得不到足够的重视。而随着工业以太网的发展，项目节点的数量增加，工业网络规模呈 现出不断扩大的趋势。这就要求工业现场针对全局网络，能有一套透明度高、覆盖面广、实时性强的管理方案。全网诊断管理方案正是在这样的背景下得以提出，网络诊断软件也作为许多交换机产品的衍生物应运而生。全网诊断软件在网络 出现异常情况时，能及 时 做出相应诊断并给予报警提醒，已受到许多工业项目的青 睐。如今，在国内外市场上，有许多电气设备厂商，交 换 机生产厂商针对自己的产品，研 发了全网诊断软件。如施耐德电气的 ConneXview 软件，Solarwinds Orion NPM 软 件，思科 netManager 软件，赫斯曼 Industrial HiVision 软件等。这些软件，在功能上，都能实现对普通网 络架构的全网诊断功能。这类软件正逐步走入工业控制的管理领域。1.2 发展与现状1.2.1 冗余网络模式的发展工业生产过程中，即使做到再精密的检测管理，也不能保证设备的运行、数据的通信百分之百不出现故障或是异常。然而，在一些重要的工业控制流程中，这些又是不希望遇到，甚至是不允许发生的。 为了
