1.3.1 ICS网络架构

ICS网络主要有两种主流架构：一种是以服务器为中心的双层控制网络，也称为服务器/客户端架构（C/S架构）；另一种是扁平化的单层控制网络，也称为对等架构（P2P架构），其数据流转不依赖服务器。两种网络架构在ICS中均广泛应用，由于各自不同的优缺点，C/S架构大量应用在发电行业，而石油化工行业更青睐于无服务器的P2P架构。

1.C/S架构

C/S架构的ICS主要由控制器（PLC、DCS、RTU）、数据采集服务器、客户端（HMI、操作员站、报表服务器、工程师站）及网络设备（二层交换机、三层交换机）组成，为了实现冗余功能，数据采集服务器通常由5块网卡构成，2块与控制器通信，2块与客户端通信，1块实现双机的心跳通信，如图1-5所示。

C/S架构的ICS系统数据流如图1-6所示，包含两个过程。

■ 显示数据采集过程。现场变送器或传感器采集现场工艺对象的相关参数，如温度、压力、流量、组分、液位或物位、频率等信息，并将其转化成对应的模拟量电信号，通常为4～20mA或0～10V（电压信号由于衰减问题已经很少使用）；ICS系统的I/O采集模块将变送器或传感器的模拟量电信号转化成数字量信号；I/O输入卡件通过现场总线将数字量信号传输给控制器实现控制运算；数据采集服务器通过过程控制与监控网络采集控制器数据并转发给客户端使用，实现数据的存储及转发；客户端通过过程控制与监控网络采集数据采集服务器的数据用于工艺流程的显示。

■ 控制指令下发过程。客户端通过过程控制与监控网络下发控制指令到数据采集服务器；数据采集服务器通过过程控制与监控网络转发控制指令到控制器；控制器经过控制运算，通过现场总线将运算的控制指令发送到I/O输出卡件；I/O输出卡件完成相应的控制指令的数字量到模拟量转换功能，输出电信号（4～20mA）；调节设备接收I/O输出卡件的电信号并转化成相应的位置信号，实现对工艺对象的参数调节功能。

2.P2P架构

P2P架构的ICS主要由控制器（PLC、DCS、RTU）、客户端（HMI、操作站、报表服务器、趋势服务器、工程师站）及网络设备（二层交换机、三层交换机）组成，如图1-7所示。部分系统的C/S架构网络由于服务器功能与操作员站或工程师站功能共用及网卡共用所以表面看起来是单层网络，但其数据流及网络架构本质上仍然是C/S架构，注意不要混淆，两种架构的本质区别在于是否存在数据采集服务器。

P2P架构的ICS系统数据流如图1-8所示，包含两个过程。

■ 显示数据采集过程。现场变送器或传感器采集现场工艺对象的相关参数，如温度、压力、流量、组分、液位或物位、频率等信息，并将其转化成对应的模拟量电信号，通常为4～20mA或0～10V（电压信号由于衰减问题已经很少使用）；ICS系统的I/O采集模块将变送器或传感器的模拟量电信号转化成数字量信号；I/O输入卡件通过现场总线将数字量信号传输给控制器实现控制运算；客户端通过过程控制与监控网络采集控制器的数据用于工艺流程的显示。

■ 控制指令下发过程。客户端通过过程控制与监控网络下发控制指令到控制器；控制器经过控制运算，通过现场总线将运算的控制指令发送到I/O输出卡件；I/O输出卡件完成相应的控制指令的数字量到模拟量转换功能，输出电信号（4～20mA）；调节设备接收I/O输出卡件的电信号并转化成相应的位置信号，实现对工艺对象的参数调节功能。

3.两种网络架构的优缺点

C/S网络架构存在数据采集服务器，数据采集服务器承担数据的采集、存储、转发功能，大大减轻了网络的通信负荷，同时由于控制器只与数据采集服务器交换数据，所以减轻了控制器的通信负荷，提高了控制器的利用率，减少了控制器的通信时间。缺点是数据采集服务器自身承担较重的通信负荷，需要较高的硬件配置，故增加了硬件成本，同时服务器作为关键设备，一旦发生故障，生产将无法进行，服务器成了网络的瓶颈。

P2P网络架构由于无数据采集服务器，操作员站直接和控制器交换数据，没有网络瓶颈，只要有一台操作员站存在生产就不会中断，这样可用性大大提高。缺点是控制器的网络通信负荷较高，控制器需要接收所有客户端的指令请求，因而要严格控制它的I/O点数，保证它有足够的空闲时间用于完成和客户端的通信。

4.ICS网络与IT网络的区别

由于ICS较高的可靠性和实时性要求，ICS网络通常采用主从式通信或令牌网络，采用专有的通信协议。在工业以太网诞生之前通常使用现场总线网络完成通信任务。随着通信技术的发展，传统IT网络技术不断应用到工业控制领域，诞生了工业以太网，工业以太网推动工业控制领域由专用设备不断向开放发展，同时通用设备的引入降低了采购成本，得到了用户的广泛认可。与IT网络相比，ICS网络有如下特点。

■ 网络节点大多是具有计算和通信能力的测量控制设备。

■ 恶劣的工业环境。

■ 数据量较小。

■ 满足控制实时性的要求。

■ 可靠性高。