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【摘要】
因为工业企业在控制和信息领域，同时采用了EtherNet/IP™，从而引发了在制造网络中，广泛使用标准的以太网。这种部署使得在工厂中融合制造网络和企业网络，在技术上已可以实现。因为在商业和管理层的决策者可以实时地获得关键性能指标（KPI），所以制造商现在可以获取“实时”信息进行商业决策。在企业内制造和商业系统的信息融合，使得企业具有更多的灵活性，更多的创新机会。

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联合开发了制造企业参考架构，一整套针对制造企业的参考架构。架构的内容包括了罗克韦尔自动化的集成架构（Integrated Architecture™）和思科公司的用于工厂的以太网（Ethernet to the Factory），为用户提供了使用最新技术、在工程和IT两个方面奠定了成功的基础。制造企业参考架构还提供了培训教育、设计指南和推荐方案，目的就是帮助用户为制造资产建立一个坚固的网络基础。其中的一种制造资产是罗克韦尔自动化公司的 FactoryTalk® 集成生产和性能套件，之后简称 FactoryTalk。

本文概要介绍通用的生产应用软件，比如FactoryTalk，在制造参考架构中的使用，以及如何把FactoryTalk用于制造和企业信息的融合。

制造企业参考架构

制造企业通常使用公共的IT和制造标准来构建制造企业的架构。其中包括了 IEEE 802.3的以太网标准、因特网工程师任务组（IETF）的因特网协议（IP），和ODVA组织的公共工业协议（CIP™）。另外，制造企业参考架构使用了按制造企业标准建立的一个制造企业框架，见图1。这些工业标准包括：ISA-95 企业与控制系统集成，ISA-99 制造和控制系统安全和用于控制等级的珀杜（Purdue）参考模型。思科和罗克韦尔自动化的框架引入了一些关键的理念，如：网络分段实现流量管理、安全实施、远程访问和服务质量（QoS），为今后建立的网络打下一个基础。随后的要点是：确保制造系统和应用的性能优化，并且提供FactoryTalk 的应用与企业其余部分的集成和安全访问。

本文和制造企业参考架构经常提到的术语有“层（Layer）”、“级（Level）”和“区（Zone）”。在开放系统互联(OSI)中定义7层参考模型：第1 层为物理层，第2层为数据链路层，第3层为网络层，等等。第2层的设备转发数据并提供网络服务，它是基于2层特性如媒体访问控制（MAC）寻址。3层设备转发数据和提供网络服务是基于因特网协议（IP）。

按照ISA-95和用于控制级别的普度参考模型，把制造企业中的工业控制设备划分成不同的操作“级”。把“级”作为一个公共的术语，用于划分和决定企业中的信息流。为了增强安全和流量管理，ISA-99把多个级划入“区”。多个区建立了信任域，用于安全访问；域还可以裁剪成多个小局域网（LAN），便于网络流量管理。

图1 制造企业框架

FactoryTalk

FactoryTalk, 见图2，由一个多服务平台和模块化生产规则（以后称之为应用）所组成，它紧密集成了罗克韦尔自动化的Logix控制平台，实现了制造数据准确无误地传递。罗克韦尔自动化集成架构就由 FactoryTalk和Logix组成，一起为工厂提供控制和企业信息。

FactoryTalk 中包含6种应用，满足今天工厂中不同的信息需求，比如：制造执行系统（MES），资产管理，历史数据和人机界面（HMI/SCADA）。模块化的系统设计有助于新方案的不断实施，使用户过去投资的效益最大化，而且可以不断吸收新技术的引进。

图2 FactoryTalk 集成生产和性能套件

FactoryTalk服务平台是FactoryTalk 应用的基础。由一组公共软件服务组成，它们形成了一个面向服务的架构（SOA），FactoryTalk服务平台允许开发的应用共享公共的定义、管理、实时数据、等等。FactoryTalk 服务平台按功能进行分组。

• FactoryTalk 安全：给予每个用户按照自己的权利和权限进行集中化管理。

• FactoryTalk 目录：允许共享公共的定义，比如用户、标签、报警、图形显示等。

• FactoryTalk 诊断和审计：提供公共信息格式、存储、观看和跟踪应用发生的变化。

• FactoryTalk 实时数据：允许应用软件之间进行实时通信，包括第三方的OPC数据服务器。

• FactoryTalk 报警和事件：在Logix可编自动化控制器（Logix PAC™）和软件应用之间提供了统一标准的报警定义和公共管理。

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制造区

这个区包括了现场制造的运行和控制功能（第3层），以及多个工位/工区（第0-2层)。制造区包括所有系统、设备和控制器，实现厂级运行的控制和监视。为了保持系统和网络功能的平滑运行，这个区需要与企业区通过隔离区（DMZ）的安全设备实现隔离和保护。这种方法使得制造区可以完全实现自己的功能，而不考虑与高层的连接状态。与企业区交换的生产数据需要实施一种方法和程序，通过缓冲区进行，还要考虑在DMZ连接失效的情况。

所有的制造资产应该放在制造区里。资产包括FactoryTalk、应用和服务，诸如：活动目录、域名服务（DNS）和视窗因特网名服务（WINS）。图3 描述了FactoryTalk在制造企业参考架构中的位置。

为了清晰起见，在制造企业参考架构中，仅对需要反映FactoryTalk内容的位置才标注在图3中。

图3 描述了由思科和罗克韦尔自动化框架定义的多层结构。为了遵从图1的制造企业框架，制造企业参考架构建立在校园网络参考模型上。同企业网络一样，这种多层模型自然地把负载分配到三个层：核心层、分布层和访问层。这种多层模型提供了网络冗余、快速融合、可伸缩性和网络分段，所有这些功能对于工业环境都非常重要。

图3 在制造企业参考架构中FactoryTalk的位置

图3中的架构可以随制造区的大小和要求而变化，比如：场地的大小、地理的分布和有效性需求等。制造企业参考架构的变化举例如下：

• 小型（制造区的节点在50个以下）；
- 合并的核心－分布层交换机：多层交换机结合了核心与分布两层。

• 中型（制造区的节点数达200个）；
- 见图3，分开的核心层和分布层交换机。

• 大型（制造区的节点超过200个）。

现场制造操作和控制（第3层）

在制造区内，现场制造运行和控制具有专用的网络段，而且包括FactoryTalk应用服务器。在这个网络段，管理员应该为其指定唯一的IP 子网和虚拟局域网（VLAN）。

FactoryTalk应用服务器应连接到一个专用的多层交换机，聚集在3层分布式交换机之中。为了给工位/工区提供冗余缺省网关，可以使用思科的Catalyst 3750堆栈式3层分布交换机。如果使用独立型分布交换机，那么在分布交换机之间，要使用网关平衡负载协议（GLBP）或者热备路由协议（HSRP）。这些协议提供了3层失效切换和负载平衡功能，这对确保FactoryTalk 应用与3层设备、控制器、和更低一层网络的通信是非常重要的。

在3层网段实施软件应用的例子如下：

       • FactoryTalk 服务平台：
           - 目录；
           - 安全；
           - 诊断；
            - 审计；
            - 实时数据；
            - 报警和事件。

       • 应用服务：
            - Factory Talk View SE（观察）；
             - FactoryTalk AssetCentre（资产中心）；
             - FactoryTalk Historian（历史数据库）；
             - FactoryTalk Transaction Manager（事务管理器）。

       • 工程工作站：
             - RSLogix™ 5000/500/5 ；
             - RSNetWorx™。

制造区还可执行其他的应用和服务，做为3层网络段的备份。如果在企业区的连接断开时，它们保证了制造资产的有效性。这些应用和服务的例子包括：

       • 活动目录；
       • DNS；
       • SQL 数据库；
       • 文件/打印服务器。

区监控（第2层）

       除了现场制造的运行和控制（第3层），制造区还包括多个工位/工区（第0-2层）。这些2层网段应该对每个工位/工区指定唯一的IP子网和VLAN。FactoryTalk应用客户端、工程工作站、配置和支持自动化网络的维护工具应该位于第2层。位于2层的软件应用例子包括：

       • 操作员界面：
          - FactoryTalk View SE 客户端；
          - FactoryTalk View SE 工作站。

       • 工程工作站：
         - RSLogix 5000/500/5；
         - RSNetWorx。

信息融合

在制造和商业系统之间的信息融合为企业的灵敏和创新提供了机遇。有了机会的同时，也产生了挑战。因为这种融合，制造计算和控制资产成为了易攻击点，这同企业信息遇到的安全问题一样。保护制造资产，诸如FactoryTalk，需要一种定义良好的安全策略和复杂的安全模型。

策略应该指出安全风险的内容和防止这些问题的缓解技术。缓解技术包括使用“防范深度”的安全方法，防止内部和外部的安全威胁。这种方法利用多层防范（物理的和电子的），在不同层次采取不同的策略和程序。比如，网络安全保护联网的资产、数据、端点，物理安全保护高价值的资产。

按照不同的要求、优先级、策略、在企业区和制造区可能的事件、和希望的共享数据，使用隔离区（DMZ）可以作为一种缓解技术，在制造区和企业区之间建立了一个缓冲区。DMZ （图4）允许数据由制造和商业系统安全地共享，保护信息并满足不同区的安全需求。

图4 隔离区（DMZ）

一个典型的例子是暂时把制造区的信息传送到DMZ，然后再把这个信息复制到企业区。这样即能够实现单向、也能够实现双向传送。这个例子见图5。例子中使用FactoryTalk事务管理器，用标签实现双向数据交换，诸如Logix控制器或者FactoryTalk View标签，应用像一台MSSQL服务器。这些标签可以包含关键性能指标（KPI）或者企业应用需要集成的其他重要数据。在这个特例中，系统完成了生产数据收集，并把它们传送到企业区的一个商业系统上。数据在制造区即不存储也不使用，因此DMZ的连接失效不会影响制造区的运行。来自或者到达企业区的生产数据，要在缓冲区实施策略和程序，防止DMZ连接失效造成的数据丢失。

• FactoryTalk事务管理服务器（第3层）使用RSLinx数据服务器通过EtherNet/IP读/写标签到1层的控制器。

• 同样的FactoryTalk事务管理服务器，配置成读/写它的SQL数据到或者从位于DMZ内的一台MSSQL 服务器。

• 这台MSSQL服务器复制数据到或者从企业区MSSQL服务器。

• 在企业区内的商业系统仅能访问企业MSSQL服务器。

图5 - FactoryTalk 事务管理器和MSSQL服务器

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除了核心和分布层，有些人员诸如：工程师或者合作伙伴为了监视、管理和配置，也需要远程访问制造数据。远程层可以通过企业网或者因特网进行。远程层的一个例子用图6来描述。

这个远程访问方案的核心是思科公司的适应安全装置（ASA）5500 防火墙，安装在隔离区 DMZ。DMZ 防火墙主机是一种安全的Web门户，可用做基于Web的监视，诸如：FactoryTalk ViewPoint和FactoryTalk VantagePoint。DMZ防火墙还可以使用远程桌面协议（RDP）连接位于制造区的远程访问服务器（RAS）。RAS主机可监视、管理和配置应用，诸如：RSLogix 5000，FactoryTalk View Studio和RSLinx。

比如，因特网客户端使用思科的虚拟专用网（VPN），客户端初始化一个安全连接，通过IP安全 (IP security)连到企业边缘的防火墙。一台在因特网上具有网页浏览器（HTTP）客户端，可以通过SSL（保密接口层）VPN连接到ASA Web门户。防火墙Web门户通过RDP建立了一个到RAS服务器的链接。从因特网客户端的网页浏览器，可以访问RAS终端服务器的桌面和应用，诸如可以看到RSLogix 5000，并且与之交互。这就使在远程客户端，实现加载软件的最小化。

图6 远程访问举例

总结

制造和企业网络的融合为制造商提供了对制造数据的访问，使商业决策的制定更为充实。结果是使制造商顺应了融合的趋势，提高了企业的竞争性。

网络融合也暴露了制造资产的安全缺陷，带来了与企业相同的安全隐患。保护制造资产，诸如 FactoryTalk需要定义一整套良好的安全策略，并按此构建安全模型，然后按“保护深度”的方法应对内部和外部的安全威胁。这种方法利用多层保护（物理和电子），在不同的级采用不同的策略和程序。

        常用的推荐方案包括：
        • 在企业区和制造区之间建立一个DMZ。
        • 保持FactoryTalk应用和服务平台在制造区之内。
        • 保持复制服务，诸如在制造区内的活动目录。
        • 利用由IT、操作员和工程师组成的团队，针对制造的需求，编制一个安全策略：
            －DMZ信息融合；
            －防火墙和信任策略；
            －工程师和合作伙伴的远程访问。

• 使用在DMZ内复制的应用数据，融合制造和企业信息。
• 利用外部网络和安全服务。

（罗克韦尔自动化（中国）有限公司华镕）