网络管理系统在数字化制药工厂中的应用探讨

0引言

生物制药工厂是一个典型的工艺流程复杂、自动化程度高且需要严格遵守法规标准的工业环境,在生产过程中,对网络设备的实时监控、故障预警以及对生产过程的数据采集和分析至关重要。

针对工厂网络架构庞大、网络设备安装位置分散、无故障预警提示、网络运行状态无法实时监控等运维难点,本文通过整合工厂现有资源,以西门子网络管理系统(NMS)为运维平台,设计网络设备管理、网络资源管理、性能管理、告警管理和拓扑管理等基本功能模块,通过数据采集、数据处理、数据呈现等关键技术,实现对各网络设备的集中管理,降低了运营维护管理成本,提高了运营维护效率和水平。

1 西门子NMS概述

西门子NMS是一种全面的网络管理解决方案,它集成了先进的网络监控、配置管理、故障排除以及性能优化等功能。该系统基于开放的标准和模块化设计,可以轻松地与各种制药工厂中的网络设备和系统进行集成,实现统一管理和监控。

工作原理:西门子NMS通过网络管理协议SNMP来收集网络设备的信息。系统包括控制(管理整个网络,制定和下发策略)、运维(搜集网络设备信息并汇总)两个功能模块,通过控制模块设置网络扫描策略,策略会自动同步下发到运维模块,从而实现网络设备信息的收集。

2工厂网络维护需求设计

2.1设备监控与故障预警

西门子NMS可以实时监控制药工厂中的各种网络设备,包括生产网络上的核心网络设备、各系统子网的网络设备等。通过收集设备的运行数据,系统可以及时发现潜在的问题,并发出预警,帮助工厂维护人员及时进行维修和保养,避免生产中断和产品质量问题[1]。

2.2数据采集与分析

西门子NMS可以实时采集网络中的各种数据,包括网络设备的运行状态、网络通信负载、网络信号传输质量等。通过对这些数据的分析,工厂管理人员可以了解整个工厂网络的瓶颈和问题,并制定相应的优化措施。

2.3法规遵从与质量保证

制药工厂需要严格遵守各种法规标准,确保产品的质量和安全。西门子NMS可以帮助工厂实现法规遵从和质量保证,系统可以记录生产过程中的所有网络异常、故障和操作,并提供整个维护期内的可追溯性。

3NMS实施

通过在生产网络中部署一套西门子NMS,实现对生产网络设备的实时监控和数据分析。

3.1 网络规模及拓扑

该工厂拥有的生产系统包括DCS(集散控制系统)、MES(生产执行系统)、BMS(楼宇控制系统)、EMS(环境监视系统)、SCADA(数据采集与监视控制系统),为了保证不同系统网络相互之间互不干扰并方便管理,将各系统分别划分在不同的VLAN中,不同系统之间通信依赖于路由[2]。生产系统采用PCS7三层网络结构,即工厂总线层(系统总线层)、终端总线层、现场总线层。其中系统总线包含网络交换机10个,终端总线包括网络交换机39个,现场总线网络为通过Profibus—DP以及Profinet连接所有子站和控制器。网络拓扑图如图1所示,可以看出,该工厂网络中存在大量设备,若仍采用维护人员逐一巡检的方式,不仅维护难度大,还易存在维护不及时等问题。

3.2 系统配置和应用

西门子NMS支持分布式布置,无须增加额外的硬件,仅需将该系统软件部署在网络中任意PC站,并配置好网络扫描规则,然后便可以监控并管理网络中所有的网络设备。

在设定好指定IP后,手动进行扫描工作,系统便可扫描网络内指定IP范围内的所有网络设备,首次扫描工作结束之后,系统会通过SNMP、LLDP协议收集设备信息,生成拓扑图[3],通过拓扑菜单可以看到读取出来的设备间的连接关系。并且为了加快对故障的检测,维护人员在网络设备中激活了SNMP陷阱服务,当设备出现瞬间故障时,故障会通过陷阱服务传给NMS并记录事件,拓扑视图给出提示并在故障消失后恢复。对于不支持SNMP协议的设备,因拓扑关系无法自动读取,可以通过手动添加的方式,确立与相应设备端口间的连接关系。因工厂网络庞大,维护人员根据不同系统的划分,在设备树区域的视图中创建了多个自定义视图,并在各视图中添加对应系统的网络设备,以此来管理和显示期望获得的网络设备信息,通过这种方式,大大提升了对网络设备的观察与管理效率。

3.3网络维护

西门子NMS支持网络设备诊断,通过SNMP将设备报警信息传送至NMS,维护人员可在网络设备的信息中查询相应告警事件,并根据事件内容对设备进行维护。当工厂网络设备出现故障时,系统会以高亮形式将故障网络设备告知维护人员,并且基于强大的网络事件库,系统会自动匹配故障事件类型,给出故障原因,从而极大地缩短了人工排查故障时间,如图2、图3所示。该工厂生产网络使用了环形网络,并采用HRP高速冗余协议[4],因此即使单台网络设备出现问题,也不会使生产暂停,这就提升了生产效率,降低了质量风险。同时,系统还可进行Profinet诊断,可对PLC以及Profinet设备进行监视,通过系统自带的Profinet标准诊断库,获取设备报警信息,及时有效地处理故障。例如,当某台PLC控制器频繁触发通信中断告警时,维护人员通过在系统上查看其连接的Profinet子站、交换机端口状态及链路质量数据,综合判断故障源为子站设备异常而非网络链路问题。这一功能使维护人员处理故障的平均响应时间从传统模式的1.5 h缩短至30 min以下。

随着工厂的智能化升级,网络设备的增加不可避免,网络拓扑也会随之发生改变,甚至两台网络设备之间的连接关系也会因此改变。针对这一情况,维护人员仅需手动再执行一次扫描任务,新增的网络设备便会添加到系统中。NMS可依据以前生成的参考视图中的连接关系来评估网络设备的运行情况,当设备的端口或链路连接状态与参考连接不符时,拓扑视图会以红色高亮的形式提示维护人员,维护人员可以依据实际连接关系及时对拓扑结构进行修正。该项功能及时保证了拓扑图与实际网络的一致性,并提升了维护的准确性。

3.4 系统运行报告

NMS拥有可用性、性能、清单、事件以及验证报表共5种报告类型,维护人员根据需求查询不同的报告,可快速了解工厂的网络配置情况与运行情况,降低了维护的上手难度,提升了维护的便利性。

维护人员通过可用性报告(图4),可获取筛选时间内设备及接口的在线情况,当存在设备掉线或接口中断时,通过历史趋势图可快速找到故障时间节点,据此分析故障产生的原因。性能报告主要对LAN接口利用率和质量、WLAN接口错误率、数据传输率、信号强度、丢弃的数据包等数据进行统计,维护人员可通过设置统计时间范围,查看链路连接情况,若数据较差,则及时维护链路。清单报告中则列出该工厂所统计的网络设备如制造商、设备类型等信息。事件报告中记录了网络设备行为(如设备故障、接口中断等)与系统本身行为(如系统操作),保证了故障事件与操作的可追溯性。维护人员在验证报表中建立了不同的模板,并为每个模板组态好检查标准(如是否存在设备名称冲突、设备接口利用率不低于60%等),根据需要选择对应模板,点击生成报告,系统便可自动进行数据分析处理,维护人员在报告中可快速了解到实际的网络状况是否可以通过此前设置的检查标准,如果报告显示不通过,也可查看在哪些地方出现失败,及时分析原因,做到预防性维护。

4 实施成果

工厂通过建立生产NMS,实现了对生产网络中64台设备的联网监控,系统自动生成网络拓扑链路图,并实时监控网络链路上的数据流量;同时实现了网络故障实时预警、事件日志采集。自系统建立应用以后,工厂生产网络故障年发生率降低了60%,故障处理时效由90min缩短至30min,极大地提升了生产效率和运维效率,从而保障了生产长期连续、稳定进行。

5 结束语

综上所述,西门子NMS在制药工厂中的应用,不仅提高了生产效率,保证了产品质量,还有助于满足严格的法规要求。随着制药行业的不断发展,相信西门子NMS将在更多制药工厂中发挥重要作用,推动制药行业的科技进步和产业升级。

[参考文献]

[1]朱建芸.西门子即将推出管理工业4.0通信网络的全新系统[J].轻工机械,2019,37(1):60.

[2]西门子(中国)有限公司.强大的工业通讯网络是数字化企业的基础[J].自动化博览,2020(5):26-27.

[3] 西门子v13 sinemaserver软件工业网络监控管理新系统[J].自动化博览,2015(7):9.

[4] 邱雪娜,叶杭辉.智能工厂的工业网络架构设计与实现[J].科学技术创新,2023(13):92一95.

《机电信息》2025年第16期第20篇