工业控制网络按照“集中管理，分散控制”的原则，用于连接工业控制系统的工业计算机控制器、可编程逻辑控制器、传感器、变送器、执行器、人机接口、工业服务器等设备节点，传输工业控制系统的采集、命令、诊断和协调等信号。整个控制网络分为监控层、控制层、设备层三层网络。（注意：这里主要讲的是控制网络，即是前面文章：工业控制系统安全入门与实践—从五层架构和安全标准说起中的下面三层）

01 网络拓扑结构与特点

一般的网络拓扑结构及特点如下：

总线型：

总线拓扑结构所有设备连接到一条连接介质上。总线结构所需要的电缆数量少，线缆长度短，易于布线和维护。多个结点共用一条传输信道，信道利用率高。

星型：

星型拓扑结构是一个中心，多个分节点。它结构简单，连接方便，管理和维护都相对容易，而且扩展性强。网络延迟时间较小，传输误差低。中心无故障，一般网络没问题。中心故障，网络就出问题，同时共享能力差，通信线路利用率不高。

环状：

环形拓扑结构是节点形成一个闭合环。工作站少，节约设备。当然，这样就导致一个节点出问题，网络就会出问题，而且不好诊断故障。

树型：

树形拓扑结构从总线拓扑演变而来。形状像一棵倒置的树,顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支，树根接收各站点发送的数据，然后再广播发送到全网。好扩展，容易诊断错误，但对根部要求高。

网状：

网形拓扑结构是应用最广泛的，它的优点是不受瓶颈问题和失效问题的影响，一旦线路出问题，可以做其他线路，但太复杂，成本高。

02 以太网、Profinet、Profibus实际搭建分析

以太网架构搭建及网络拓扑形式

a) 网络架构搭建

(1) 首先要按照控制分区确定PLC的具体数量和位置；

(2) 根据PLC的数量和位置，将PLC接于制造执行系统(MES)的交换机上；

(3) 将上位机接于MES交换机上，组建以太网网络结构。

b) 搭建原则

工业以太网交换机是一种可以提供环网耦合功能的有源网络组件，有高效冗余的特性，可以保证当现场总线出现故障的时候，上位机与PLC之间的正常数据交换。在应用过程中每个交换机至少需预留1个备用口。

c) 网络拓扑形式

以太网通过采用星型网络拓扑结构保证PLC与上位机之间大量数据的实时传输。

Profinet架构搭建及网络拓扑形式

a) 网络架构搭建

(1) 首先需要按照控制分区确定所需搭建网络结构线体的现场设备数量。

(2) 根据现场设备的数量及位置，确定交换机通讯接口数量，在交换机的选择过程中线体形式的系统优先考虑16口交换机，工作站形式的系统优先考虑8口交换机。

(3) 对于线体形式系统若交换机数量大于2台，则采用网管型交换机并将交换机组成环网型结构后与PLC连接，组建网络结构。

b) 搭建原则

(1) 线体形式交换机与现场设备之间优先采用星型+总线型网络拓扑结构，如果选用总线型拓扑结构，原则上每路总线连接设备不能超过5个，每两个相邻设备间距离不能超过90米；

(2) 每个交换机应至少预留1个备用口；

(3) 线体间的信号交互通过PN/PN耦合器来实现。

c) 网络拓扑形式

(1) 线体网络结构形式

图1监控层与控制层网络拓扑结构示意图

图1为“以太网+Profinet环网”的网络结构示意图。在图中可以看到，整个网络包括监控层、控制层两个层次。PLC与上位机之间通过以太网的形式进行数据的传输。PLC与现场设备采用Profinet网络形式进行连接，网管型交换机组成环网之后与PLC相连。耦合器主要应用于网际间的信号交互，用于连接的两个相互独立的Profinet网络进行数据交换。

图2设备层网络拓扑结构示意图

上图为设备层的网络结构拓扑示意图。在图中可以看到，现场设备与交换机之间采用总线型+星型的混合拓扑结构，此时需要保证相邻设备间距离不能超过90米。Profinet网线使用专用网线，接头使用专用快速连接的金属接头，以保证网络通讯稳定、可靠。机器人及其周边设备通过非网管型交换机连接。

2. 工作站网络结构形式

以太网+Profinet拓扑结构

方案二是方案一的简化形式，当现场交换机小于3台时，交换机之间可不必组成环网，直接采用这种连接方式。交换机采用非网管型，工作站之间或者工作站与其他控制系统的信号交互通过PN/PN耦合器实现。

Profibus架构搭建及网络拓扑形式

a) 网络架构搭建

(1) 确定需要搭建网络结构的线体包含的现场设备数量。

(2) 按照驱动性负载、通讯模块、机器人系统、安全设备、车型识别等对现场设备进行分类汇总。

(3) 确定中继器的总类及数量：

①根据网络设备的类型和位置，确定总共需要搭建几条总线；

②通过判定需要诊断功能的总线数量来确定诊断中继器的个数；

③根据网段中网络设备的距离判断所需中继器的数量；

(4) 根据确定的中继器数量，组建整个Profibus网络拓扑结构。

b) 搭建原则

(1) 由于中继器具有信号放大和再生的功能，在一条Profibus总线上使用RS485时，最多可以安装9个。

(2) 在Profibus网络结构中，当硬件设备超过32个，或者波特率对应的网络通讯距离已经超出经验值范围时(见下表)，就应该使用Profibus中继器来扩展网络连接，从而达到扩展网络规模、保证良好通信质量的目的。

(3) 例如一条Profibus总线上有80个站点，那么就需要2个中继器将网络分成3个段。由于中继器本身也是一个特殊的DP从站设备，在网段中分别占用一个物理地址，因而实际上都只能再连接31个DP主站/从站设备。

(4) 中继器扩展的距离，假设1.5Mbps的波特率时，通讯距离为130米，则网段1从最远站到中继器网段1之间的距离为130米，而从中继器的网段2到最远站还可以再扩展130米，这样整个网络的距离为260米，以此类推。

(5) 如果选用带诊断功能的中继器，每个中继器的DP2/DP3网段诊断的最远距离不能超过80米，且保证同一诊断回路不能有两个诊断设备。

(6) 线体间的信号交互通过DP/DP耦合器来实现。

(7) 在网络组建过程中，要严格保证每条总线具备可靠的终端电阻。

a) 网络拓扑形式

Profibus网络结构示意图

上图是Profibus网络结构示意图。在Profibus网络结构示意图中，采用总线型的网络拓扑结构。中继器将Profibus-DP分为多条总线，将网络中的驱动性负载、通讯模块、机器人系统、车型识别、安全开关分总线布置。耦合器主要应用于网际间的信号交互，用来连接两个相互独立的Profibus网络进行数据交换，其通信速率可以不同，可传送的输入和输出数据最大为244个字节。它的每个Profibus接口做为一个独立的设备在网络中有独立的设备名，更新时间可以不同，但是通信数据区输入/输出方式必须是相互对应的。

02 特点及应用

1. 以太网特点及应用

工业以太网是建立在IEEE802.3系列标准和TCP/IP上的分布式实时控制通讯网络，工业以太网适用于数据量传输量大，传输速度要求较高的场合。它采用CSMA/CD协议，同时兼容TCP/IP协议。PLC与上位机之间的通讯，我们采用了以太网的形式。

2. Profinet特点及应用

Profinet采用以太网作为通信介质，实际上是在以太网上挂接传统的Profibus系统和新型的智能现场设备，因此基于以太网的任何开发都可以直接应用在Profinet网络中。Profinet具有功能完善、传输速率高、抗干扰能力强、使用方便等优点。Profinet包括Profinet I/O和Profinet CBA两个主要部分，其中Profinet I/O用于连接分散的外围设备，采用循环数据和非循环数据两种通信方式。PLC与现场设备间的通讯可以通过Profinet的形式来实现。

3. Profibus特点及应用

Profibus 是Process Fieldbus 的简称，其总线传输速率一般可在9.6Kbit/s-12Mbit/s间选择。Profibus总线的传输距离长：可以采用双绞线或光缆作为传输介质，在对速率要求不高的情况下（9.6Kbit/s）传输距离可以达到1200m，即使是在12Mbit/s最高的传输速率下，其传输距离也能达到200m，此外，我们也可以使用中继器等设备来延长其传输距离可达10km。

PROFIBUS由三个兼容部分组成：PROFIBUS一DP，PROFIBUS一FMS，PROFIBUS一PA三个兼容版本。其中PROFIBUS一DP是一种经过优化的高速通信网络，专为自动控制系统和分散1/0设备之间通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输；PROFIBuS一FMS主要解决车间级通用性通信任务，完成中等速度的循环和非循环通信任务；PROFIBUS一PA专为过程自动化设计，提供标准的本质安全传输技术，用于对安全性要求较高的场合及有总线供电的站点。我们一般使用PROFIBUS一DP协议。