基于PROFINET的冗余环网设计与实现

智 莹，刘 旭

(1.鞍山师范学院 数学与信息科学学院,辽宁 鞍山 114007；2.鞍山钢铁集团公司,辽宁 鞍山 114021)

工厂通信网络主要由生产线和控制中心组成.工厂网络可分为核心层网络、汇聚层网络、接入层网络、无线覆盖接入网和移动AGV终端网络.某工厂设有6条生产线，每条线长度300 m.控制中心靠近第一条生产线，距离为200 m.在有线网络中，至少要在控制中心和每一条生产线的起点提供汇聚层交换.1辆AGV小车从生产线1到生产线6沿环形轨道行驶.车轨长度20 m，无线AP在生产线上每100 m设置1个[1].

控制中心完成生产线的总体监控，通过AGV小车监控生产线的监测数据和控制数据.控制中心可以监控生产线状况，同时控制中心与AGV小车设备之间可以进行实时数据交换，并且能够对网络中的每个交换设备进行远程管理[2].控制中心综合监控系统可以同时访问视频数据、控制数据和管理数据.控制中心的视频服务器只能访问视频数据，不能访问PLC的控制数据和交换机的管理数据.控制中心的PLC控制器只能访问PLC的控制数据，不能访问视频数据和交换机的管理数据.有线网络的汇聚层交换机采用3层交换机，接入层交换机采用2层交换机，汇聚层采用1 000 Mbit/s多模光纤通信.为充分考虑网络的冗余性，汇聚交换机之间的冗余协议为MRP协议.采用工业无线局域网IEEE802.11n协议作为无线传输协议，AGV小车轨道要求完成无线网络全覆盖，视频信息和PLC控制信息要求能够实现无缝数据传输，IPCF协议的采用保证无缝切换AGV高速移动的数据通信.每个无线AP和无线客户端具有1个RJ45接口，以利于将通信数据上联到接入层交换机[3].生产线每100 m布置1个无线AP，采用全向天线.AGV小车中的PN控制器和控制中心的PN控制器进行实时通信，数据实时刷新时间为256 ms，其优先级设置为最高.在AGV小车中需要将视频信号从PLC控制网络中隔离，AGV小车内设有无线客户端，频率为5 GHz.在通信过程中为保证数据的安全性，同时保证数据传输的完整性和实时通信能力，要求对数据进行加密，设置访问权限，以提高设备抗干扰能力[4].

1 PROFINET冗余网络分析

为充分考虑网络的冗余性，网络整体结构采用MRP环网拓扑结构，其重构时间为200 ms，以利于提高平均无故障时间MTBF，同时降低平均修复时间MTTR.在MRP环网的3层交换控制中心SCALANCE XM408-8C设置为自动冗余管理器，MRP环网中的其它设备设置为自动协商角色.多模光纤模块最大传输距离为750 m，为满足多模光纤的最大传输距离要求，并尽量减少汇聚交换机数量，在MRP环网中实现汇聚交换间的首尾相连，并形成环形结构.汇聚交换机采用SCALANCE X308，无线AP的上联双绞线最大传输距离为100 m，这样可以保证生产线每100 m布置1个无线AP.整体冗余环网网络物理拓扑结构[5]如图1所示.

图1 冗余环网网络物理拓扑

2 网络层次规划

控制中心核心网络交换机SCALANCE XM408-8C采用模块化配置，自动冗余管理MRP环网，以降低网络管理人员工作量，其具有3层路由功能，实现视频网络综合监控，PLC控制信息网络通讯，应用ACL控制功能完成视频信号与网络管理信息的隔离，同时运用VLAN功能实现网络交换机管理、PLC控制信号与视频信号间划分[6].千兆多模光纤模块采用SFP 992-1，以实现千兆多模光纤网络汇聚层的数据传输.为完成配置信息的快速移植，运用C-PLUG实现简单和快速更换设备，从而提高平均无故障时间MTBF，并降低系统的平均修复时间MTTR.在每条生产线起点，设置网络交换机SCALANCE X308，启动自动冗余管理MRP环网，以降低MRP环网汇聚层交换机数量，减少硬件开销成本.AGV小车和控制中心之间的PLC控制信息通信通过VLAN功能实现，同时实现AGV内视频信息与控制中心的视频服务器的通信互通.无线接入点AP采用SCALANCE W761-1，提供AGV小车无线客户端SCALANCE W721-1的上行链路.AGV小车的无线客户端设置为SCALANCE W721-1，为使数据从AGV小车上行传输到网络汇聚层，最后到达控制中心，AGV小车内设置有SCALANCE X308-2交换机，实现视频网络与PLC控制信息的隔离[7].

3 基于PROFINET的环网实现

使用PST工具设置交换机、无线AP和无线客户端的代理IP地址，冗余网络汇聚层采用1 000 Mbps多模光纤通信.根据网络功能划分VLAN，综合监控系统网络为VLAN10，视频网络为VLAN20，PLC控制网络为VLAN30，交换机管理网络为VLAN1.VLAN网关配置在控制中心的SCALANCE XM408-8C.设置静态路由以实现综合监控系统网络与视频网络、PLC控制网络的互通.PLC控制网络、视频网络、交换机管理网络之间配置ACL控制列表，从而达到隔离三者的目的[8].汇聚交换机的端口设置为TRUNCK端口，这样每个VLAN数据都可以通过此物理端口.汇聚交换机与无线AP连接采用双绞线连接，且连接的物理端口设置为TRUNCK端口，以使多个VLAN的数据上行传输[9].无线AP SCALANCE W761-1工作在5GHz下，设置WPA2-PSK加密算法，将VAP 1.1通道设置为TRUNCK口，实现AGV小车内VLAN数据的上行链路.AGV小车内交换机SCALANCE X308-2的1个物理端口连接视频头，此口设置为VLAN20，另1个物理端口连接到S7 1200，此口设置为VLAN10，为提供视频网络、管理网络和PLC控制网络三者的上行链路，SCALANCE X308-2和无线客户端SCALANCE W721-1连接设置为TRUNCK[10].VLAN的具体划分如表1所示.

表1 VLAN的划分

IP地址规划如表2所示.

表2 IP地址规划表

网络功能实现如图2所示.

在总控服务器上，使用ping命令ping所有交换机、无线AP、无线客户端的代理IP，ping通证明通信正常.在视频服务器上，ping S7 1200，ping 不通证明通信正常，ping AGV小车的视频头，ping通证明通信正常.将控制中心S7 1200配置为IO控制器，并将每个AGV小车的S7 1200配置为IO设备，利用强制表发送数据，若发送成功，证明通讯正常.在MRP环网络中，断开1个多模光纤，如果通信正常，则证明MRP环网络配置正确[11].在此冗余环形网络中有8个潜在的故障点，根据MRP环网协议，网络系统能够承受的最大故障点数为1.在工厂生产线需要扩展时，如增加生产线7，首先断开冗余环网，然后增加1台SCALANCE X308汇聚交换机于环网中，根据MRP环网冗余协议，新SCALANCE X308汇聚交换机通过200 ms的重新组态，MRP环网收敛，实现环网的无缝升级，延时停机时间为0[12].

图2 网络功能实现

4 结论

根据厂区的物理布局，设计实现了冗余环网网络控制系统，针对PROFINET网络组件的选型分析，实现了核心层交换、汇聚层交换、接入层交换、无线AP、无线客户端的快速收敛，利用MRP网络协议提高了工业网络的可靠性与实时性，运用静态路由完成PLC、视频、网络管理的总体监控，利用ACL与VLAN技术实现了三者的有效隔离，应用无线覆盖技术与TRUNCK接口设计了AGV小车的上行链路.基于PROFINET的MRP自动协商，完成了网络分布的故障监测方法，从而建立环形网络结构.

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