在工厂中，控制与信息都采用EtherNet/IPTM ，这就导致了工业企业广泛地使用标准的以太网。这种部署使得制造网络与企业网络的融合成为可能。因为在任何需要信息的层次或节点，都可以及时得到生产关键数据（KPI），所以企业通过网络融合而受益。制造和商业系统之间的信息融合也使制造商的灵活性和创新机会大大增加。
        这种技术和网络融合使得网络划分的界线更为模糊。过去局限于制造领域的部分，现在可以实现与企业的协同。为了实现网络融合，控制工程师和信息技术（IT）工程师要一同实践组织和文化的融合，并且分享彼此的经验。新出现的制造IT，与企业IT有着非常大的不同，它把协同的理念推向了更新、更高的水平。
        为了支持和加速网络的融合，罗克韦尔自动化公司和思科公司合作开发了制造企业的参考架构。这个架构为用户成功地采用最新技术提供了基石，架构的内容都是针对工程和 IT 的命题。制造企业参考架构为用户提供了技术培训、设计指南、推荐方案和最佳实践www.cechina.cn，可以帮助用户建立一个坚固和安全的网络，实现制造和企业网络的融合。
        控制和信息融合
        融合已经不是一个新的概念。比如，公司常常通过扩张、合并和收购的方式进行融合。企业系统把不同的商业系统统一到一个公共的企业资源计划（ERP）系统，从而把声音、图像、影像和数据汇聚到一个公共的信息网络。
        在制造企业中，生产和控制的自动化岛屿，日益地汇聚到一个集成工厂级的控制和信息平台。用户也结合了批处理、连续过程、离散、安全、运动控制和驱动控制等不同的工业网络，集成到基于EtherNet/IP、使用标准以太网技术的工业以太网当中。
        在制造企业大量部署的EtherNet/IP 也触发了从传统的三层网络模型到一个融合的以太网模型的迁移，参见图1。融合没有使网络模型变平，功能分段、地理位置和信任域的安全需要一个多层模型。

图1 传统3层网络模型到融合以太网制造网路模型的迁移

        在以太网的早期，传统的三层网络模型发生演化。有些特性，诸如：冲突域、半双工和10Mbps的速度限制了以太网在生产控制应用中的使用。在早期，专用的、制造商特定的工业网络非常流行，直到出现了像ODVA这样的组织，开始推广和使用公共工业协议（CIPTM）。
        按照功能和地域把一个网络划分成多个小的局域网（LAN），三层网络模型提供了一种自然的网络划分。这样就减少了管理和安全信息对控制的影响。连接的设备，诸如：驱动器和带有控制器的机器人，一个设备级的网络可以对智能设备进行控制、配置，并且可以从中收集数据。在一个区中的设备级网络一般不和其他的设备级网络进行交互。作为一个设备级网络的骨干，控制网络实现控制器互锁，并且提供与监控计算机的连接。网关提供了一种从制造系统到企业系统的信息映射。手动、存储转发的映射机制需要巨大的人力和物力的支撑。
        融合的以太网模型减少了对专用网关的依赖，信息可以自然地流动。虽然进行了技术的融合控制工程网版权所有，但模型并没有变平。在任何地方、任何时间对数据访问的需求，对企业提出了新的挑战。制造商还必须保护好他们的资产，防止来自内部和外部的威胁（好人也可能犯错误，并由此给企业带来损害）。因为制造区域不再孤立，连接在工业网络上的计算机和控制器会和企业区一样，遇到安全问题的困扰。
        企业范围的以太网需要很好地设计和构建。建立比较小的LAN，控制和管理网络流量，以及需要一种多层、分段的方法，建立可信任域，限制访问人员。
        建立工业标准和方法
        设计和部署一个坚固和安全的网络结构需要很好的规划路线图。首先，要了解制造过程中的应用设备，诸如：传感器和执行器，以及它们的地理位置。然后，通过现场用户对运行情况的咨询，能够决定对控制信息的要求。比如，哪些控制器之间进行数据交换、数据连锁。再者，通过对企业用户了解，决定商业系统需要哪些生产信息。比如，一个商业系统可能需要KPI（关键性能数据）或者集成相关数据。最后，路线图应该使用公共的术语、方法和最佳实践，完成标准的执行。
        制造企业的参考架构是建立在 IT和制造的公共技术与标准之上的。这些技术标准的内容包括了诸如：IEEE的802.3标准、未经修改的以太网，因特网工程任务组（IETF）的因特网协议（IP），和ODVA的公共工业协议（CIP）。另外www.cechina.cn，制造企业参考构架是使用制造标准建立的一个制造企业框架，如图2所示。这个框架为网络分段、流量管理和策略实施建立了基础，诸如：安全实施、远程访问和服务质量（QoS）。这个框架使用的工业标准诸如：ISA-95企业－控制系统集成，ISA-99的制造及控制系统安全和控制等级的普度（Purdue）参考模型。

图2 制造企业网络框架

        罗克韦尔自动化公司和思科公司都具有使用公共技术的观点，支持网络融合的建立和应用，极力推动对标准、未经修改以太网的宣传和执行。作为ODVA主要成员，除了一起服务，两个公司还参加了像ISA这样的标准化组织。
        通过制造企业的参考架构，术语里引用了“层（Layer）”、“级（Level）”和“区（Zone）”的概念。开放系统互连（OSI）七层参考模型中，定义了层：比如第1层为物理层，第2层为数据链路层，第3层为网络层。基于数据链路层的特性，诸如：媒体访问控制（MAC），第2层设备具有转发数据和提供网络服务的功能。基于因特网协议（IP），第3层设备具有转发数据和提供网络服务的功能。
        图2描述了在制造企业架构中的级和区。使用了ISA-95和用于控制级别的普度参考模型，按运行在制造企业中的设施，可以把工业控制设备划分成多个“级”。使用“级”作为公共术语，可以拆分和决定企业范围的信息流。为了加强信息安全和流量管理，ISA-99 把多个“级”形成某个“区”。区中建立多个信任域，便于安全访问；裁剪成多个小局域网，便于流量管理。
        制造企业架构对级进行分组，形成下列的区，实现特定的功能：
        a) 企业区：第4和5级，处理IT网络、商业应用和服务（比如：电子邮件、企业资源计划－ERP）以及内部网（intranet）。
        b) 隔离区（DMZ）：这个缓冲区在制造区和企业区之间建立了一个屏障，但允许用户安全地共享数据和服务。所有来自隔离区两端的网络信息流只能终止于隔离区。不会穿过隔离区。也就是说，在企业区和制造区之间没有直接的信息流穿过。
        c) 制造区：第3级，定位于工厂级的应用（比如：历史数据、资产管理、制造执行系统－MES等），由多个工作位和工作区组成。
        d) 工位/工区：第0，1和2 级，管理工业控制设备（比如：控制器、驱动器、输入/输出设备I/O和人机界面HMI）和多种控制应用（比如：驱动、批处理、连续过程和离散控制）。
        裁剪和管理网络流量
        建立一个坚固和安全的网络结构需要保护控制和信息数据的完整性、可用性和保密性。在建立一个网络时，用户应该致力于解决下面的问题：
        1. 这个网络结构是否具有足够的弹性确保数据的可靠性？
        2. 数据怎样保持一致，数据是可靠的吗？
        3. 怎样使用数据，数据的操作是安全的吗？
        制造企业的参考架构提供了推荐方案、设计指南、最佳实践、方法论（如图3）和配置文档。可以帮助用户为控制和信息数据的可用性、完整性和保密性建立一个坚固和安全的网络结构。建立于工业标准和可持续发展的网络基础，参考架构面向制造，针对当前的应用，像通过CIP SafetyTM 保证网络安全；针对未来的应用，像通过CIP MotionTM实现运动控制，通过IEEE 1588精确时间协议（PTP）和CIP SyncTM实现时间同步，并且结合了基于IP的声音（VoIP）技术和按需的影视（VOD）技术。
        IT人员经常把参考架构作为企业内的一个公共概念。从零售公司到数据中心，思科公司为不同的工业和应用开发了参考架构。为制造业开发的参考架构见图3，结合了罗克韦尔自动化公司的集成架构（Integrated ArchitectureTM）和思科公司的以太网在工厂的一个实际验证案例。

图3 制造企业参考架构

        为了遵从图2中的制造企业框架，制造企业参考架构利用了校园网络参考模型。与企业的网络相同，这种多级模型自然地把负载分配到了三个级上，即：核心级、分布级和外围级。
        第2级的交换机聚集了在工位/工区里的控制设备。另外www.cechina.cn，第2级提供了诸如交换、通过生成树协议（STP）的弹性、服务质量（QoS）、虚拟局域网（VLAN）和安全等网络服务。多级（第2和第3级）分布式交换机放置在制造区域（第3级），这种交换机为工位/工区和企业计算机提供了数据访问和网络服务。服务包括第2和第3级的交换、路由、网络平衡、基于热备路由协议（HSRP）的弹性、服务质量（QoS）和安全。最终，核心交换机聚集了分布交换机，提供了高速交换。像用于制造企业参考架构，IT人员常常使用核心/分布/外围作为一个企业里面的公共理念。
        需要设计一种用于控制和信息数据传送的低延时、小抖动、高可用、大集成的弹性网络结构。延时，或者时滞，代表了一个设备发送数据到另一个设备接收这个数据的时间流逝。抖动代表了延时的变化。融合多种控制和信息流到一个公共的工业网络要求减少延时和抖动。
        为了减少网络延时和抖动，制造企业参考架构推荐使用网络分段结构和优先处理机制。分段减少了广播和多播负载的影响。在工位/工区的开始阶段就减少网络延时和抖动。
        当设计工位/工区时，用户应该创建较小的第2层网络，工位/工区网络分段，按功能和地理进行组织。限制跑出工位/工区的数据流www.cechina.cn，除了厂级操作明确需要某些数据。每个工位/工区应该划分到指定的VLAN和IP子网。VLAN分流了网络负载，限制了广播和多播流量，并且简化了安全策略管理。作为一种最佳实践，使用第3级分布交换机，对工位/工区的VLAN和制造区的厂级操作之间路由信息。避免增大第2级网络，简化网络管理。
        网络拓扑的选择会影响控制和信息数据的可用性和集成性。在图3中，制造企业参考架构描述了总线型、星型、环型和冗余星型的拓扑结构。因为是实际应用决定了拓扑的选择，所以用户需要对这个问题仔细分析。这其中包括应用的性能指标、网络延时和抖动偏差、宕机时间和平均修复时间（MTTR），以及今后升级和扩展的要求。从右至左，图3描述了增加网络弹性、模块性、灵活性和执行的完整性。作为一种最佳实践，可以实施弹性拓扑，诸如推荐的冗余星型拓扑。冗余星型拓扑提供了自然的分段、裁剪流量、减少延时和抖动、提高了数据完整性、提供了传送大量数据所需的弹性、减少宕机时间。冗余星型的模块性为网络的扩展和升级也增加了伸缩性和灵活性。
        不是所有网络都生成相等量的负载，用户对待它们的方法也不相同。为了最小化数据流的延时和抖动，控制数据在工位/工区内应该具有较高的优先级。服务质量（QoS）给出了对网络负载采用优先待遇的策略。控制数据比信息数据，对延时和抖动的要求更严格。为了最小化延时和抖动，用户应该在工位/工区内部对控制数据实施服务质量功能。在制造区执行服务质量之前，应该成立一支由操作员、工程师、IT人员和安全专家组成的团队，制定在制造区内的服务质量策略。这个策略应该满足系统运行的需要，包括什么时间执行什么样的服务质量策略。另外www.cechina.cn，策略团队应该理解这个策略与企业的服务质量策略是不同的。制造区的服务质量通常要优先于企业区的质量。
        虽然在制造企业参考架构中没有指定物理层，但为了建立坚固的网络结构，需要对物理层进行严格的设计和布线。网络介质，第1层，在工位/工区内会遇到在企业区域中没有的环境条件和噪声污染。这些条件会影响数据的可用性和可靠性，产生延时和抖动。
        对于工位/工区的推荐和最佳实践包括：
        1. 划分VLAN、实施小工位/工区，并对每个工位/工区分配IP子网来调整和管理负载。
        2. 采用工业管理型交换机，使用VLAN分开流量，使用QoS优化流量，使用端口安全和访问控制列表（ACL）安全策略，并且使用其提供的诊断功能对网络进行监视。
        3. 利用冗余星型拓扑提高网络的弹性和模块性，使用快速生成树协议（RSTP）管理环路。实施RSTP (802.1w) 的新版本：多重生成树（MST 802.1s）支持多重VLAN。
        4. 把千兆以太网端口用于主干网和上行链路，降低网络延时和抖动；用VLAN减少广播流量；用因特网组管理协议（IGMP）减少多播流量；用QoS优化流量；用冗余星型拓扑实现自然分段。
        制造区包含所有系统、设备和控制器，是厂级中控制和监视的关键部分。这个区包括了现场制造的运行和控制（第3级），以及多个工位/工区。为了保持工厂的平滑运行和系统与网络的健康，这个区需要与企业区通过隔离区（DMZ）进行隔离和保护。所有用于制造区的制造资产都要很好地保护，包括罗克韦尔自动化的FactoryTalk® 集成与生产套装软件，以及应用和服务，诸如：活动目录（Active Directory），域名服务器（DNS）和动态主机配置服务（DHCP）等。
        第3级，现场制造运行和控制，在制造区内，要使用专用的网段，并且包含 FactoryTalk服务器。在进行网络分段时，需要指定每个网段的IP子网地址和VLAN。FactoryTalk服务器应连接到一个专用的多层交换机，它汇集在3级分布交换机之中。分布交换机可用做网络分段的缺省型网关。为了对工位/工区提供冗余缺省网关，分布交换机应该支持热备路由协议（HSRP）或者网关负载平衡协议（GLBP）。分布交换机可以把所有流量路由到第3级网络。
        对于制造区域的推荐方案和最佳实践有：
        1. 保证 FactoryTalk 在制造区内。
        2. 保持复制服务，比如在制造区里的DNS、活动目录和DHCP。
        3. 实施第3级（现场制造运行和控制）网络分段，有自己的IP子网和VLAN。
        4. 使用第3级分布交换机对工位/工区VLAN和第3层网络分段VLAN之间提供路由。
        5. 在分布交换机上使用HSRP或者GLBP，成为到工位/工区的冗余缺省网关。
        总结
        制造网络和企业网络的融合增强了企业对制造的数据访问CONTROL ENGINEERING China版权所有，这可以帮助制造企业做出更好的商业决策。
        这种商业的敏捷性，为控制与信息融合的制造商比没有融合的制造商提供了更有利的竞争优势。在制造企业参考架构中，从工程到IT的推荐方案和最佳实践的描述，将帮助用户建立安全和坚固的网络结构，满足用户对制造网络和企业网络融合的实际需求。