工業(yè)以太網(wǎng)技術具有價格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應用廣泛以及支持技術成熟等優(yōu)點，已成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡之一。?

近些年來，隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，以太網(wǎng)進入了控制領域，形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡技術。這主要是由于工業(yè)自動化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展，開放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。?

以太網(wǎng)技術引入工業(yè)控制領域，其技術優(yōu)勢非常明顯。?工業(yè)以太網(wǎng)制造現(xiàn)在信息的強大性跟控制的快捷性，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的串聯(lián)跟控制，為現(xiàn)代工業(yè)制造實現(xiàn)真正意義上的“E網(wǎng)到底”奠定了良好的基礎。?

工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)被業(yè)內(nèi)認為是未來控制網(wǎng)絡的最佳解決方案，也是當前現(xiàn)場總線中的主流技術。工業(yè)化的新翹楚就由此誕生。?

不管“工業(yè)4.0“還是“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”其技術本質(zhì)都是自動化與信息化的深度融合。在融合的過程中網(wǎng)絡會不斷地增長。不斷增長的網(wǎng)絡復雜度為工業(yè)控制網(wǎng)絡的設計方法提出了新的挑戰(zhàn)。

目前實際工業(yè)應用的網(wǎng)絡--般由控制工程師成設計，網(wǎng)絡性能主要由控制工程師經(jīng)驗決定。但是隨著網(wǎng)絡復雜度增加，這難以保持高效與可靠。在大規(guī)模網(wǎng)絡中，如何確定網(wǎng)絡性能的瓶頸變得非常的棘手。并且，小規(guī)模網(wǎng)絡中獲取的網(wǎng)絡設計經(jīng)驗未必適用于大規(guī)模網(wǎng)絡?？刂乒こ處熢O計工業(yè)控制網(wǎng)絡需要保障網(wǎng)絡QoS性能，避免工業(yè)控制網(wǎng)絡的性能成為工業(yè)自動化系統(tǒng)性能的瓶頸。

工業(yè)以太網(wǎng)技術具有價格低廉、安穩(wěn)牢靠、通訊速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、運用廣泛以及支持技術成熟等長處，已成為最受歡迎的通訊網(wǎng)絡之一。近些年來，跟著網(wǎng)絡技術的開展，以太網(wǎng)進入了操控范疇，形成了新式的以太網(wǎng)操控網(wǎng)絡技術。這主要是由于工業(yè)自動化體系向散布化、智能化操控方面開展，敞開的、透明的通訊協(xié)議是必定的要求。以太網(wǎng)技術引進工業(yè)操控范疇，其技術優(yōu)勢十分顯著。 工業(yè)以太網(wǎng)制作現(xiàn)在信息的強壯性跟操控的方便性，能夠完成快速的串聯(lián)跟操控，為現(xiàn)代工業(yè)制作完成真實意義上的“一網(wǎng)到底”奠定了優(yōu)良的基礎。工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)已被業(yè)內(nèi)認為是未來操控網(wǎng)絡的最佳解決方案，也是當時現(xiàn)場總線中的主流技術（如下圖1是工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)操控體系的各個層級的運用）。

圖1、工業(yè)以太網(wǎng)在自動化系統(tǒng)各個層級的應用

在上圖中雖然從網(wǎng)絡的網(wǎng)絡上在自動化系統(tǒng)的各個層級都可以是以太網(wǎng)，但在各個層級上的以太網(wǎng)上運行的協(xié)議并不相同，這是由于控制系統(tǒng)的應用決定的。在控制系統(tǒng)的各個層級對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、響應時間、傳輸?shù)念l次等的要求如下圖2所示。

圖2、控制系統(tǒng)各個層級的不同要求

控制系統(tǒng)各個層級的不同要求，使得工業(yè)控制網(wǎng)絡的規(guī)劃不能簡單地復制IT網(wǎng)絡的網(wǎng)絡規(guī)劃。對自動化的控制網(wǎng)絡不但考慮網(wǎng)絡的規(guī)模的大小，還需要考慮自動化不同層級的特點。

所以對于自動化系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)絡，可以從如下的幾個角度去規(guī)劃和設計網(wǎng)絡，如下圖3所示。

圖3、自動化系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)的考慮因素

一、根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)模/網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量多少來規(guī)劃網(wǎng)絡

既然工業(yè)以太網(wǎng)是由以太網(wǎng)發(fā)展而來，所以工業(yè)以太網(wǎng)具有以太網(wǎng)的一些特點。對于工業(yè)以太網(wǎng)的規(guī)劃可以參考IT網(wǎng)絡規(guī)劃的一些原則（這是工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)劃考慮的一個方面）。對于IT網(wǎng)絡的規(guī)劃往往是從網(wǎng)絡規(guī)模的大小來規(guī)劃網(wǎng)絡。對于一個小型網(wǎng)絡可能只規(guī)劃一個廣播域即可；而對于大型的網(wǎng)絡則需要規(guī)劃多個廣播域如下圖4和下圖5所示。

圖4、小型網(wǎng)絡采用扁平的網(wǎng)絡結構

圖5、大型網(wǎng)絡采用分層/分廣播域的網(wǎng)絡結構

上面的網(wǎng)絡規(guī)劃采用的以太網(wǎng)的星型和線性的拓撲結構，若需要更高的網(wǎng)絡可用性可采用冗余的網(wǎng)絡結構（環(huán)型或網(wǎng)狀型的網(wǎng)絡結構）?？紤]使用何種網(wǎng)絡冗余架構還需要結合對實時性的要求來考慮。在工業(yè)控制層比較多的使用的是環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲結構來提高網(wǎng)絡的可用性，如下圖6的示例。

圖6、環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)高可用性

二、根據(jù)自動化的層級規(guī)劃網(wǎng)絡

如圖1所示自動化系統(tǒng)的層級架構，由于各層級對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、響應時間、傳輸?shù)念l次等有不同的需求（如圖2所示），所以需要按照層級來規(guī)劃網(wǎng)絡，這樣可保證每個層級相對的獨立性（各通信協(xié)議互不影響）。此時可能的網(wǎng)絡規(guī)劃方案如下圖7所示。

圖7、根據(jù)自動化層級規(guī)劃網(wǎng)絡

按照圖7的規(guī)劃方式可以有效實現(xiàn)控制層級的數(shù)據(jù)流不會進入到現(xiàn)場層級的網(wǎng)絡中，進而保證現(xiàn)場網(wǎng)絡的實時性能不受其它層級的數(shù)據(jù)流的影響。從物理上保證了每個層級相對獨立性。

三、根據(jù)通信業(yè)務流類型規(guī)劃網(wǎng)絡

在相同的層級中也會存在著不同的業(yè)務數(shù)據(jù)流，它們對實時性的要求可能相同也可能不同。如下圖8所示。它們對實時性的要求相同但它們又屬于不同的業(yè)務流。

圖8、同一層級的不同的業(yè)務數(shù)據(jù)流

圖9、按照不同的業(yè)務流規(guī)劃網(wǎng)絡

四、根據(jù)設備的地理分布情況規(guī)劃網(wǎng)絡

在現(xiàn)場中根據(jù)工業(yè)的需求設備會安裝在不同的位置，將這些分布在不同地理位置上的設備連網(wǎng)。考慮的節(jié)約成本且使各工藝段的網(wǎng)絡相對清晰往往會按如圖10、圖11和圖12的方式來規(guī)劃網(wǎng)絡。

圖10、設備控制柜的網(wǎng)絡規(guī)劃

圖11、自動化單元間的網(wǎng)絡規(guī)劃

圖12、各工廠之間的網(wǎng)絡規(guī)劃

五、根據(jù)工業(yè)信息安全的需求規(guī)劃網(wǎng)絡

由于網(wǎng)絡規(guī)模的不斷增大，所以對各層級的網(wǎng)絡資源的訪問應該通過一種有效的方式控制。這樣可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)流只允許在允許的范圍內(nèi)流動。進而實現(xiàn)有效的流量管控。那么這種有效的方式就是網(wǎng)絡從信息安全的角度來規(guī)劃如下圖13所示。

在網(wǎng)絡中增加一些安全設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的控制。

對于自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡的規(guī)劃不能從上面所述的這幾個方面的某一方面考慮，而是需要全面地綜合上述的這些因素來規(guī)劃出一個合理高效的網(wǎng)絡。

工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)劃總的原則如下：

（1）在項目的起始階段進行合理的規(guī)劃，考慮系統(tǒng)層面的網(wǎng)絡優(yōu)化，以獲得更好的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，節(jié)省設備的投資成本和網(wǎng)絡安裝調(diào)試的時間成本。

（2）合理的使用樹形拓撲分割網(wǎng)絡沖突域，盡量不要使用交換機的級聯(lián)結構，因為數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡中傳遞時，每經(jīng)過一個交換機，延遲的時間就要積累下來。

（3）使用樹形拓撲網(wǎng)絡時，按照現(xiàn)場設備之間的通信關系組網(wǎng)。相互之間通信流量比較大的兩個現(xiàn)場設備盡可能分布到同一個子網(wǎng)，使子網(wǎng)內(nèi)的通信流量盡可能大，跨越頂級交換機的兩個子網(wǎng)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀盡可能少，這樣可以有效減小網(wǎng)絡端到端的延遲。

（4）局部的網(wǎng)絡擁塞有可能導致整個網(wǎng)絡性能的瓶頸，因此各子網(wǎng)通過頂級交換機轉(zhuǎn)發(fā)的流量要盡可能均衡分布。