工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)層級全解讀,解析工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的自動化金字塔
寫在面前
有朋友加我好友問我到底有沒有必要學(xué)習(xí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò),如何學(xué)習(xí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò),今天我就先根據(jù)ISA95建議的網(wǎng)絡(luò)層級來談一談~
PS:本次是關(guān)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的第一次分享:后續(xù)陸續(xù)會有(內(nèi)容可能會有變動):
技術(shù)角度詳細(xì)分析Profinet、Ethernet/IP等7種主流工業(yè)以太網(wǎng)
數(shù)據(jù)連接采集的幾大實現(xiàn)方式—自動化的信息集成,數(shù)字化的基石
從PLM到MES,再到數(shù)據(jù)采集,工業(yè)數(shù)據(jù)的類型與管理
從通訊協(xié)議角度分析自動化金字塔...........
工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的二層與三層協(xié)議解析.....
典型的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊架構(gòu)........
..........................................
基本會從總體的協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),數(shù)據(jù)類型,采集類型著手。之后也還會有比較干貨和深入的解讀,準(zhǔn)備做成一個系列,這篇文章算是本系列的開端吧,感興趣的可以持續(xù)關(guān)注~
01 你熟悉又陌生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)層級
前面我們提到諸多工業(yè)通訊上的協(xié)議,規(guī)范:
最全整理工業(yè)通訊上的領(lǐng)域各種總線+協(xié)議+規(guī)范+接口—數(shù)據(jù)采集與控制
也講了諸多進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的文章,隨著IT與OT融合的加深,或者把高度提高點,隨著數(shù)字化浪潮的襲來,必先始于數(shù)據(jù)與通訊,如果你是工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)工程師或者技術(shù)顧問,學(xué)習(xí)好工業(yè)網(wǎng)絡(luò)還是很有必要的~
就一般而言,盡管工業(yè)網(wǎng)絡(luò)最佳實踐建議將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)隔離,但是將業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成會產(chǎn)生一些好處。出于安全原因,同時為了讓工業(yè)網(wǎng)絡(luò)獲得更好的性能,業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間的連接基本都會通過防火墻(或其它)來限制訪問并提供不受外部網(wǎng)絡(luò)攻擊的安全性。大家一定還記得前面我們一篇關(guān)于汽車行業(yè)自動化標(biāo)準(zhǔn)SICAR的文章:
TIA Portal下的虛擬調(diào)試與SICAR解讀:標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)階之旅與案例分析
在其中有這樣一幅圖,防火墻模塊S602充當(dāng)了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)也IT網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁,起到隔離的同時也是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與IT網(wǎng)絡(luò)集成在了一起~
來源:西門子
ISA 95建議使用不同層級的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及其互連性(當(dāng)然有觀點認(rèn)為ISA95的架構(gòu)過于復(fù)雜,感興趣可以下次分享),以實現(xiàn)業(yè)務(wù)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的更好集成,從而在不損害安全性的前提下實現(xiàn)最佳工廠運營。
前面我就從五層架構(gòu)起說到過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的安全:工業(yè)控制系統(tǒng)安全入門與實踐—從五層架構(gòu)和安全標(biāo)準(zhǔn)說起
只要是看過熟悉本號的朋友,應(yīng)該對于自動化金字塔已經(jīng)很熟悉了
以下是ISA 95建議的網(wǎng)絡(luò)層級。
Level 0:定義實際的物理過程或物理生產(chǎn)過程。
Level 1:定義與感測和操縱物理過程以及過程參數(shù)的自動控制有關(guān)的活動。這包括傳感器,輸入/輸出(I / O)模塊,嵌入式控制器和執(zhí)行器。
Level 2:定義監(jiān)視和控制物理過程的活動。人機界面,SCADA等都是該級別的一部分。
Level 3:定義工作流的活動以產(chǎn)生所需的最終產(chǎn)品。在此級別,對生產(chǎn)信息的維護是集中的,以提供更好的記錄控制和可用性。
Level 4:定義管理制造組織所需的與業(yè)務(wù)相關(guān)的活動。企業(yè)資源計劃是位于此級別的關(guān)鍵組件。
對于工廠而言(尤其是大型工廠,小作坊不算),不論是橫向或者縱向數(shù)據(jù)交換,前提條件都得是有一個足以支撐你業(yè)務(wù)的通訊網(wǎng)絡(luò),工業(yè)通訊都是你實現(xiàn)各種PLM、APS、MES、SCADA、QMS、WMS、PLC等各個系統(tǒng)集成的基礎(chǔ),而且我可以肯定,在讀文章的你,98%以上都或多或少與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)有些交集,其實對于你們而言,這應(yīng)該是很熟悉的,但是對于很多人而言,或許這又是陌生的,你們本應(yīng)該是最了解工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一群人之一~
沒有強大的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通訊,那就不用談什么系統(tǒng)集成,數(shù)字化,智能工廠,這就是在扯淡一樣,不過所謂數(shù)字化,真的還有很長很長的路要走,畢竟對于很多企業(yè)而而言,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和管理基礎(chǔ)遠(yuǎn)未達(dá)標(biāo)~
02 拆解工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和自己
為了滿足不同應(yīng)用的各種特定要求,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不僅需要無縫集成到企業(yè) IT 網(wǎng)絡(luò)中,同時還需要在惡劣環(huán)境中確保良好的網(wǎng)絡(luò)性能。
對于很多大型工廠而言,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)一般還進(jìn)一步分為多個子網(wǎng)絡(luò),主要是為了減少關(guān)鍵控制網(wǎng)絡(luò)中不需要的網(wǎng)絡(luò)流量,并通過減少網(wǎng)絡(luò)延遲來提高響應(yīng)速度。舉個例子,下面是某汽車公司自動化控制標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的一部分,這就是很典型的例子
減少工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)流量非常重要,為了實現(xiàn)這一目標(biāo),大多數(shù)DCS和PLC供應(yīng)商都使用基于異常的過程參數(shù)報告。例如,只要值發(fā)生任何變化(例如從ON到OFF的轉(zhuǎn)換,反之亦然),DCS / PLC都會寫入任何數(shù)字點(ON到OFF),而不是以固定的頻率進(jìn)行寫入,從而減少了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。
說到了網(wǎng)絡(luò),我們不得不說交換技術(shù),交換技術(shù)是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的另一個重要方面。交換機是智能的第2層設(shè)備(此處指的是二層交換機),可以讀取MAC地址(第2層),并決定需要通過哪個端口數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù),而不是通過集線器之類的所有端口發(fā)送數(shù)據(jù)。(這都不清楚的可以先參考:最全整理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識“全家桶”—入門工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必備)這減少了沖突的可能性,因此提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w速度。高級交換機還支持VLAN(虛擬LAN),盡管物理上連接到同一交換機,但VLAN有助于創(chuàng)建節(jié)點的邏輯分組。一個VLAN的節(jié)點無法與另一個VLAN的節(jié)點通信(創(chuàng)建單獨的廣播域),盡管所有節(jié)點都是同一物理LAN的成員。
這張圖是隨便放的,和上下文都沒關(guān)系
我知道很多人肯定覺得上面的東西多而雜,因為前面其實我們寫過一些關(guān)于VLAN,關(guān)于協(xié)議分析的一些文章,閱讀量都不高,大家都覺得和自己沒關(guān)系,但是其實工業(yè)網(wǎng)絡(luò),拆解下來,也就是適合于工業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它的本質(zhì)還是網(wǎng)絡(luò)技術(shù),我還記得前面寫過轉(zhuǎn)載過幾個案例:
一個煙廠PROFINET工業(yè)網(wǎng)絡(luò)故障診斷與分析案例
西門子S7系列PLC與Kepserver網(wǎng)絡(luò)通訊下的診斷與分析實例
S7–1500遇上工業(yè)無線AP:一個立體倉庫無線網(wǎng)絡(luò)故障診斷分析案例
很多朋友都說案例挺有參考價值,但是就是不知道如何自己也能做到這一點,其實我可以給大家說,難,也不難,為什么呢?
說不難,因為其實我們幾乎都是處于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層,并不需要像一個算法工程師一樣去了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法那種普通人望而生畏的東西,只是需要你在意網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)基礎(chǔ),這并沒有什么太大的技術(shù)門檻。
說難,是因為很多人總是覺得網(wǎng)上看幾篇文章就能學(xué)會,或者每天都在去各種各樣的公眾號搜集“80G資料拿走”、“400G最全收錄”,說真的,我的很多資料,是大多數(shù)人在互聯(lián)網(wǎng)絕對找不到的,而且加起來超過10T,但是對于大多數(shù)人而言,這是沒有必要的,即使都給你,你又能如何呢?這是一個信息爆炸的時代,并不缺少資料,也并不缺少信息來源,我可以舉個例子,前面我在文章:
記自己16天備考的PMP,談人到中年的迷茫,轉(zhuǎn)型與思考
當(dāng)中提到的華為的哥們兒(這是我的多年無話不談的好友),當(dāng)時在一個三線小城市月薪過萬,也能放棄自己工作脫產(chǎn)學(xué)習(xí)半年備考CCIE,順利進(jìn)入華為,當(dāng)然我這里不是建議大家脫產(chǎn)半年,就在工業(yè)領(lǐng)域的大多數(shù)人而言,也沒有必要學(xué)的那么深入,也不是說去夸華為多牛逼,而是在于他的魄力和系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的態(tài)度,不是我們可以比的,畢竟他當(dāng)時也知道很多人學(xué)了CCIE之后,出來一樣水的一逼,你不信可以自己試想一下他當(dāng)時的魄力,在安逸區(qū)呆著,卻能脫產(chǎn)半年沒有任何收入,去做一個前途未卜的事~
03 一個工程師的自我修養(yǎng)
其實如果你接觸過很多技術(shù)大牛,或者很多能力很強的工程師或者專家,他們的網(wǎng)絡(luò)知識和IT技能都比一般人扎實,就更別提所謂的OT技術(shù)了,這本就是他們擅長的技術(shù)領(lǐng)域,他們也并不是專業(yè)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)工程師,但是卻具有扎實的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和豐富的實踐。
對于很多人而言,這真的并不是太難,或許你不用成為大牛,至少你不應(yīng)該是一個小白,就像我們說了很多虛擬調(diào)試,我不信做虛擬調(diào)試的工程師不用到OPC UA的,我也不信你在現(xiàn)場沒遇到過上面案例說的那些情況,我也更不相信今后所謂的數(shù)字化工廠會沒有網(wǎng)絡(luò)一席之地~
在IT、OT不斷融合的今天,CT技術(shù)更會具有自己的位置,我們也應(yīng)該找準(zhǔn)自己的位置:
就像前面說的:
自動化早已不是原來的自動化,為何你卻還是原來的你
前對眾多的技術(shù),深度為主,廣度為輔,選擇一個合適自己的方向,如果你不知道哪個合適你,我們普通人如何擴展自己的深度和廣度呢?
我的看法是,讓興趣來引導(dǎo)自己,把本職工作做到公司無人替代的位置,而不止步于此,并在此基礎(chǔ)上廣度發(fā)展。
下面具體來說說要如何權(quán)衡自己的廣度和深度:
1.廣度為輔,深度為主。人生、時間有限,我們不可能精通所有的技術(shù),但我們可以努力地精通工作相關(guān)的、有前景的、感興趣的技術(shù)。
2.基礎(chǔ)扎實,深入底層。只是解決工作上的問題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,應(yīng)該在工作之余去學(xué)習(xí)更底層的技術(shù),所謂知其然還得知其所以然。多多思考:為什么要這樣用?怎么實現(xiàn)的?還有更好的辦法去實現(xiàn)嗎?
3.觸類旁通,適度學(xué)習(xí)。學(xué)任何的知識都要形成一個體系,才能學(xué)得深,記得牢。
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