工业控制网络构建管理分析与设计硕士学位论文.doc

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AbstractIn recent years, the scale of industrial 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 building 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 examples 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 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 running 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 diagnostic 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 目录摘要iAbstractii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273.4.4 VLAN配置后的网络通信情况测试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图目录图2.1 工业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3.11 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40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41第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。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 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，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。1.1.3 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。为了避免因故障而产生的损失，工业控制网络系统通常通过冗余技术，实现对故障问题的补偿7。合理利用软硬件技术，实现系统的冗余功能，是保证系统稳定、安全、可靠运行的重要手段，同时这也是衡量一个工业控制网络系统的关键标准之一8。如何选用合适的冗余模式，需要从整个网络的结构设计、设备选型和日常维护等方面综合考虑。关键设备采用硬件备份、冗余等可靠性技术，可以大大提高安全性和可靠性。例如在杭钢千兆冗余网络的构建项目中。就通过增加备份交换机的途径，为系统中的核心交换机进行交换机的冗余备份。确保在主交换机因故障停止工作时，备份交换机可以取代其作为新的主交换机继续工作；而当备份交换机失效或者变成主交换机时，另一个交换机将自动成为备份交换机9。1.2.2 控制网和信息网的集成工业控制系统中，用于测量与控制的数据通信和常用的电信网络通信有所不同，较为重视安全性和实时性。控制网络主要位于中下层，该网络层上的数据，主要以控制工业设备运作为主，这些数据往往会根据项目的实际情况以及设备的运作情况进行预输入10。信息网络则一般处于中上层，以处理大量的、变化的、多样的信息为主，具有高速、综合的特征11。控制网络与信息网络的集成最直观的表现就是便于企业的管理。其主要表现在：1.便于建立网络的数据库系统。由于工业项目规模庞大，节点数量往往会上万，如此产生的数据量也就绝不能小视。将控制网和信息网集成，通过历史记录服务器，建立网络数据库，可以确保区域内数据的完整性和可操作性，利于操作员的管理；2.在工业项目现场，即使是负责一块功能的区域，其占地面积及设备数量都非常的大。控制网和信息网的集成，使得针对控制网络的远程监控功能成为可能。管理人员在区域控制室就能实现对区域内设备信息的优化调度和远程诊断，而不需要在现场来回奔波，这不仅提高了效率，更利于项目后期优化工程的开展12。3.测控网络可以连接到外部Internet这样更大的网络系统中。控制网络和信息网络作为工业企业网络的两个重要组成部分, 它们的集成可将企业网络间信息与资源的共享达到最大化，从而进一步提高企业信息化和综合自动化水平，最终实现企业生产和管理高效率、高效益的目标13。1.2.3 VLAN技术的发展早期的工业控制网络，可以视作一个大的广播网络。每台主机发出的广播包没有任何限制，可以广播到网络中其它任意一台主机。这所带来的缺陷，就是大量的网络带宽被占用，网络利用率低下，极易导致大面积的网络失效14。目前，在国内外，已有不少工控项目将VLAN技术引入应用。尤其是在石化这些大规模工控项目中，作用极为明显。合理的VLAN划分，不仅能提高网络的性能及安全性，还利于管理人员对全网的管理操作。自IEEE颁布了用以标准化VLAN实现方案的802.1Q协议草案后，VLAN技术一直在发展和完善。VLAN技术独特的优势也决定其将成为国内外工业项目中运用的核心15。1.2.4 全网诊断管理模式的提出伴随着信息技术的迅猛发展，网络技术的不断进步和大范围的普及，网络出现异常或是故障的概率也随之增加。人们开始思考如何对网络进行有效管理和故障诊断，从而降低网络出错的可能性，提高排错效率。随着工业以太网技术的成熟，网络诊断的服务对象也已深入到工业网络领域。当然，服务的内容和传统的企业，学校政府相比，也相对有所改变16。全网诊断模式主要要实现三方面的目标：准确定位网络的故障点，帮助恢复网络的正常运行状态；发现网络规划和配置中欠佳之处，提供改善和优化网络性能的依据；监控网络的实时运行状况，做到及时反馈网络通信质量。现在的网络诊断模式通常以网络原理、网络配置和网络运行的知识为基础，从故障现象出发，通过一些网络诊断工具来获取诊断信息，从而确定网络故障点，恢复网络正常运行17。1.3 现有研究工作中存在的问题现有研究工作集中在网络架构的搭建，以及全网诊断软件的应用测试上。工作中依旧存在一些问题。1.3.1 网络架构的搭建工业以太网络，主要由控制网和信息网组成。毋庸置疑，为了保证网络的可靠性和数据的稳定性，控制网将进行冗余配置。在实际工控项目中，因为规模较大，横向上，如何分配好冗余控制网和信息网的IP地址，做好集成，是不得不考虑的问题。而在纵向层面，从现场到控制室，为了便于对整个项目的网络进行管理监控，势必进行一些层次上的划分。此外，一些例如时钟同步器，防火墙在网络中的接入问题，也不容忽视18。1.3.2 VLAN的划分工业现场，会有许多各种功能不同的设备仪表。这些装置，大多数会依据功能类型进行划分，相同功能块的设备仪表，会被集中安置在一块区域内，由专门的小组负责日常的管理维护。VLAN的划分往往也是以此为基础，将相同一块功能的装置划分在一个广播域内。但是，随之而来也产生了一些问题。一些功能设备，在现场并不是集中安置在某个区域，而是分布在其它各个区域内。这就形成了物理位置层面上在一个区域，网络数据层面上又在另一个区域的情况19。如何采用合理的VLAN划分方法，使得在保证数据完整性的情况下，减小广播域的范围，减轻网络负荷，是一个值得研究的问题。1.3.3 全网诊断软件应用测试市面上，诸如思科netManager，赫斯曼Industrial HiVision的网络诊断管理软件，在公司企业、学校政府的使用情况上都已得到了一定的认可。这类软件，虽各有利弊，但总体上都能达到对整个网络有效的监控管理。但是，这类软件，运用到工控项目中，是否依旧能进行全面的网络监管，对异常情况给予准确的诊断，都还是一个未知数。1.4 研究内容与组织架构针对工业控制项目的网络架构特点和管理现状，本文主要对工业项目网络的规划实施以及全网诊断软件的应用进行分析。研究主要以石化项目为例，通过工业以太网冗余控制网和信息网的规划构建，VLAN技术对网络的划分分域，以及全网诊断软件在工控网络中的应用几点为侧重，来概述石化工业项目中网络构建管理方案，并进行一系列的验证性测试。本文组织结构如下：第一章介绍课题背景和研究内容；第二章阐述冗余控制网和信息网集成的网络架构模式；第三章讨论了石化工业项目中VLAN的划分方式；本文的第四章，全面介绍全网诊断模式，分析网络诊断软件所需实现的目标。并以赫斯曼Industrial HiVision网络诊断管理软件为例，介绍其在工业控制系统中的应用情况，并对该软件在工控项目中的使用进行全面的测试评估。最后一章对全文进行了总结，展望了本文提供的石化工业控制网络构建管理方案今后的研究方向。1.5 本章小结本章首先阐述了工业以太网的发展和网络管理模式的兴起。随后分别介绍了相关的研究背景与研究内容，国内外针对该领域所取得的成果以及存在的问题。最后说明了论文的主要研究内容与组织结构。第2章 网络架构搭建网络架构的搭建是工业以太网络建设的基础，也是所有项目的骨架。本文主要通过石化项目为蓝本，来阐述工业网络构建的设计与管理。本章将着重设计介绍其网络架构的搭建模式。由于实际工程中，这类项目规模都很大，模拟搭建并用来测试的设备数量往往很有限，本文也无法全部陈列描述，所以仍以表述设计理念为主。对此，将会在不影响主干网络架构的情况下，精简一些设备。而控制器到仪表设备的网络，不是本文重点，故也不深入阐述。2.1 整体架构及IP地址规划工业项目中，主要分为现场和控制室两块。其中现场部分，控制器和一些计算机设备都连接在位于现场的交换机上。这些计算机，对控制器进行实时的控制管理和数据记录。位于现场的交换机级联到位于控制室的交换机。控制人员通过连接在该交换机的计算机设备，来对一块区域的设备工作进行总体管理和数据存储。最后，所有这些控制室的交换机全部级联到总工师室内的交换机。总工程师室的交换机，同时连接着记录整个网络的历史数据记录服务器，时钟同步服务器。企业的高管和高级工程师，一般也是通过连接在这个交换机的计算机，来对整个项目的运作进行审查分析20。此外，在防火墙的保护下，企业生产信息网络也可以接入该交换机，实现企业网络化管理。所以，石化工业项目中网络的主要功能首先要实现所有数据通信的稳定性、可靠性，项目中的DCS系统设备需能及时准确的收发来自以太网络的数据。这是所有工业项目中最基础的要求，将直接关系到工业生产的开展。其次，为了减少不必要的数据传输，降低网络负荷，进一步加强局部网络的安全性，可以通过IP地址的分段规划配合VLAN的划分得以实现。最后，考虑到从现场到总工程师控制室之间，要经过多层的网络连接，且各层之间还要求有相关的操作员设备，故此，网络架构的构建上势必要有明确的分层，以便于届时开展有效的管理和维护。对此，本文设计提出了一种石化工业控制网络架构的构建形式。其交换机简要搭建连接情况如图2.1所示。图2.1 工业项目网络架构交换机连接1考虑到工业网络的可靠性和实时性，对于和设备运作直接关联的网络，即控制网，需要进行冗余处理。以此确保某一链路在出现异常或故障时，另一条链路依旧能进行数据信息的可靠传输，从而保证设备持续有效的运作。用来记录存储数据的信息网，和控制器没有直接连接，不需要进行冗余。所以，本文设计了冗余控制网A网、B网和信息网C网。三个网分别需配有不同网段的私有地址。A网选用172.21.XX.XX网段；B网选用172.22.XX.XX网段；C网选用172.23.XX.XX网段。因此，A网、B网和C网也可简称21网、22网、23网。三个网子网掩码皆设为255.255.0.0。2从现场到总工程师室，为了便于实际管理，交换机自下而上将进行两次“纵向”级联。设计中，将因此划分出来的三个层次，分别命名为FA（Field Area）层，CA（Center Area）层和TA（Top Area）层。FA层到CA层由于是从现场到控制室，距离较远，必须通过光纤级联；而CA层到TA层为控制室和控制室之间，距离较近用网线级联即可。这“纵向”的三层网络，和A网、B网、C网“横向”的三层网络，组成了“三横三纵”的设计模式，构建起了网络的主要架构。3工业现场，完成某块功能的设备会被集中在一个区域，形成例如石化中的储运域，公用工程域等。不同的功能区域组成在一起，最终才实现整个项目的工作内容。设计中，如图所示，将不同的区域按阿拉伯数字依次编号加以区分。这也是为了给之后详细IP地址的分配和VLAN的划分做准备。4工业以太网如今不再仅仅是实现收集数据的功能，目前应用主要是复杂的操作和流程。赫斯曼（Hirschmann）公司长期致力于自动化网络解决方案，与一些实力较弱的工业以太网交换机供应商相比，其更加了解工业网络，设备更贴近工业控制领域，涉及领域从石化、医药到小型工业制造，无所不包。此外，其配套的全网诊断管理软件Industrial HiVision，不仅可以对网络轻松监控，还能对网络中的交换机和其它以太网设备的冗余情况，带宽使用，可用性等进行监控和报警，这点为本文方案的设计也提供了基础。因此，在交换机的选择上，本文选用赫斯曼MACH100和MACH1000系列快速以太网工作组交换机。该两款系列交换机均支持冗余模式及数种配置和诊断功能。可为生产领域中的以太网设计及升级提供高水平的安全性和灵活性。无风扇冷却功能也是其设计的特点之一。考虑到本文设计中各接口的实际要求及数量，选用了MACH100系列中的MACH102-24TP-FR交换机，MACH104-20TX-FR交换机和MACH1000系列中的MAR1040-4C4C4C4C9999SMMHRHH三款交换机。为了确保赫斯曼交换机的正常使用，对赫斯曼交换机做了简单的硬件测试。其测试内容和结果如表2.1所示。表2.1 曼交换机简单硬件测试测试点测试项测试方法及要求实测数据和结果结论指示灯功能测试交换机电源指示灯正确指示电源工作状态，冗余供电具备双电源指示1、交换机可支持冗余供电，冗余供电时指示灯“P”灯为绿色；2、交换机单路供电时，供电路指示灯“P”为黄色，指示灯“FAULT”灯亮红灯；当两路供电线路同时掉电时，指示灯全灭。通过电网口指示灯网口指示灯：亮-表示该端口链接成功闪-表示该端口正在进行通信灭-表示无链接或链接失败；颜色区分网口通讯速率： 绿色-当前链接速度为100M 指示灯灭或橘黄色-如果链接 成功，表示链接速度为10M网口指示灯：亮-该端口链接成功闪-该端口正在进行通信灭-无链接或链接失败；颜色区分网口通讯速率：使用10M或100M速率进行通讯时指示灯仍为绿色。通过续表2.1测试点测试项测试方法及要求实测数据和结果结论供电冗余功能测试供电冗余功能测试1、两路冗余供电电源同时供电时，交换机应正常工作，实时数据通讯无异常；2、任意一路单独工作的情况下，交换机应正常工作，实时数据通讯无异常；3、两路供电电源进行冗余切换的时候，交换机应正常工作，实时数据通讯无异常；4、在测试过程中，观察网络是否有丢包。1、两路冗余供电电源同时供电时，交换机正常工作，实时数据通讯无正常，网络无丢包；2、任意一路单独工作的情况下，交换机正常工作，实时数据通讯正常，网络无丢包；3、两路供电电源进行冗余切换的时候，交换机正常工作，实时数据通讯正常，网络无丢包。通过供电电压范围测试供电电压范围测试使用调压器（交流供电）或可调电源（直流供电），测量交换机正常工作电压范围供工程参考。通过可编程多功能电源测试，交换机在220V/175V/253V，并且分别在50HZ/47.5HZ/62.5HZ下测试，交换机工作正常。通过为了配合管理使用，所有交换机将被配置统一的IP地址段：172.21/22/23.16.XXX，子网掩码皆设为255.255.0.0。2.2 FA层详细网络构建FA层是最接近现场的一层。现场的控制器，用于监控管理的工程师站，管理员站以及记录历史数据的历史记录站都直接连接到该层交换机。由于该层最接近现场，所以将该层命名为FA（Field Area）层。FA层的交换机，将直接级联到上层CA层交换机，供上层设备进行远程控制管理。如图2.2所示，区域1内PC设备的IP地址遵循区域编号，从172.21/22/23.1.130，172.21/22/23.1.131依次分配。同理，区域2内PC设备的IP地址就分配为172.21/22/23.2.130，172.21/22/23.2.131而直接接入该层的控制器，其地址分配也是如此。考虑到控制器冗余接入控制网，所以区域1控制器地址从172.21/22/23.1.2（1.3控制器作为1.2控制器的冗余），172.21/22/23.1.4逐一分配。区域2则从172.21/22/23.2.2开始。图2.2 FA层详细网络架构该层的交换机在选型上，均选用24个RJ45口（电口）和2个千兆Combo口的赫斯曼MACH102-24TP-FR交换机。其中，电口用于控制器，PC设备的连接；Combo口用于和CA层交换机的级联（一个配置后插入光纤连接，另一个相同配置后留作备用）。可能某些域内，接入冗余控制网的PC设备、控制器较多，交换机电口数量不够，就在A网和B网中各再加入一台交换机，然后同时级联到上层CA层的交换机。如图区域2所示。FA层交换机设备的IP地址同样也根据域编号来划分。区域1为172.21/22/23.16.111，区域2为172.21/22/23.16.121，172.21/22.16.122FA层具体的网络地址分配范围其可参考表2.2，实际过程中根据域的数量及域内节点的数量一一进行分配。表2.2 FA层网络地址分配范围表区域PC设备地址控制器地址交换机地址FA1A网172.21.1.130254172.21.1.2252172.21.16.111B网172.22.1.130254172.22.1.2252172.22.16.111C网172.23.1.130254172.23.1.2252172.23.16.111FA2A网172.21.2.130254172.21.2.2252172.21.16.121122B网172.22.2.130254172.22.2.2252172.22.16.121122C网172.23.2.130254172.23.2.2252172.23.16.1212.3 CA层详细网络构建FA层的交换机都将相应级联到自己域内的CA层交换机。该层实际上是为该区域内的控制室服务。在实际的工业项目中，一个功能区域都会有一个由系统工程师，仪表人员和操作员组成的班组来专门负责。通过该层内设备，班组人员可以远程监控查看到现场的所有数据，出现异常或故障时，也能及时分析原因，尽快进行处理。如图2.3所示，该层IP地址分配的方式和FA层大相径庭。该层设备地址为172.21/22/23.X.201254（X为该域编号，区域1即为172.21/22/23.1.201254）。由于该层主要是对FA层进行操控的，所以在FA层设备较多时，该层的操作站也势必增加。为了配合实际项目中工作班组的管理，对该层操作站设备的地址规划可以进一步细分：172.21/22/23.1.201209为工作班组的第一小队，负责一块功能；172.21/22/23.1.211219为工作班组的第二小队，负责另一块功能，以此类推。而该段的最后一个地址254，往往会被配置为装有软件时钟同步服务器的PC设备。图2.3 CA层详细网络架构该层的交换机在选型上，除了选用赫斯曼MACH102-24TP-FR交换机外，还将部分选用20个RJ45口和4个千兆Combo口的MACH104-20TX-FR交换机。上一节中曾提到，有些域内FA层设备数量较多，A网和B网都将各使用两个交换机。两个交换机同时向上级联后，若CA层的交换机仍使用MACH102-24TP-FR的话，两个Combo口都将被占用，而没有备用。所以，针对有这样情况的域，该域的CA层交换机采用4个Combo口的MACH104-20TX-FR交换机，以此使得两个Combo口都有相应备用。该层交换机地址分配为CA1：172.21/22/23.16.110；CA2：172.21/22/23.16.120CA层具体的网络地址分配其可参考表2.3进行分配。表2.3 CA层网络地址分配范围表区域PC设备地址交换机地址CA1A网172.21.1.201254172.21.16.110B网172.22.1.201254172.22.16.110C网172.23.1.201254172.23.16.110CA2A网172.21.2.201254172.21.16.120B网172.22.2.201254172.22.16.120C网172.23.2.201254172.23.16.1202.4 TA层详细网络构建如图所示，TA层是整个网络架构的核心。各区域的数据信息通过CA层汇聚到此。通过TA层交换机，可以获取到网络中的所有数据信息。该层的交换机一般称之为核心交换机。考虑到此交换机的负荷能力及重要性，设计中选用了赫斯曼MAR1040-4C4C4C4C9999SMMHRHH交换机。该交换机拥有16个千兆Combo端口。一部分用作和各域的CA层交换机级联，另一部分则与全网诊断用的网络监控站，时钟服务器，以及一些历史记录服务器