工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)故障的應(yīng)對實踐

秦明星 黃堃 王志強(qiáng) 朱文斌 龐浩

摘 要：為了應(yīng)對工業(yè)以太網(wǎng)在使用過程中頻繁發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障的現(xiàn)象，利用對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重新規(guī)劃分配、減小通訊量、減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，選用高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)、對網(wǎng)絡(luò)外界雜波干擾進(jìn)行屏蔽的方法，對原有的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大幅改進(jìn)，經(jīng)過統(tǒng)計，月平均故障報警次數(shù)由改進(jìn)前的28次變?yōu)楦倪M(jìn)后的2次，網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)生頻次得到明顯降低。因此，以上改進(jìn)方法可有效應(yīng)對工業(yè)以太網(wǎng)使用過程中最為常見的網(wǎng)絡(luò)故障問題，起到極大減少或根除以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)故障的作用。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)故障 雜波過濾 電磁屏蔽 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（c）-00-03

Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)作為一種新興的行業(yè)技術(shù)，目前已成為下一代工業(yè)產(chǎn)品中最具發(fā)展?jié)摿吞攸c的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于采礦、食品生產(chǎn)、污水處理等工業(yè)領(lǐng)域，在濟(jì)南、廈門、武漢等多家國內(nèi)卷煙生產(chǎn)廠得到實際應(yīng)用[5-7]，在煙草行業(yè)中，Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)主要應(yīng)用在煙草制絲的自動化控制環(huán)節(jié)[7-8]。不同于DeviceNet、ControlNet等傳統(tǒng)的現(xiàn)場工業(yè)總線[1]，以太網(wǎng)采用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD），實時性較差，加上其特有的超時重發(fā)機(jī)制，使得網(wǎng)絡(luò)中單點的故障容易擴(kuò)散[2-4]，給整個網(wǎng)絡(luò)通訊帶來沉重的負(fù)擔(dān)，因此網(wǎng)絡(luò)故障對工業(yè)以太網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成較大影響。在目前國內(nèi)外的相關(guān)研究中，對于網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生的具體成因尚無明確的定論，對于應(yīng)用實例中的網(wǎng)絡(luò)故障源頭缺乏有效的排查手段，少數(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)故障排除案例[9]由于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、硬件設(shè)備等與煙草行業(yè)應(yīng)用存在較大差別，其經(jīng)驗無法得到有效推廣，至今缺少切實有效的方法應(yīng)對工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)故障。嘗試使用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架優(yōu)化、傳輸介質(zhì)改進(jìn)、現(xiàn)場雜波過濾屏蔽等方法，降低網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)生頻次。

1 改造前網(wǎng)絡(luò)狀況概述

武漢卷煙廠兩條黃鶴樓淡雅香生產(chǎn)線（A線、B線）均使用洛克韋爾自動化公司（Rockwell Automation）的工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)“一網(wǎng)到底”的思路[7][10]。整條生產(chǎn)線葉片處理線、葉絲處理線、混絲處理線和加香處理線4個控制工藝段。其中、葉片段的設(shè)備構(gòu)架最為復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)生最為頻繁，以葉片處理段為例，嘗試使用多種方法進(jìn)行改進(jìn)研究。

黃鶴樓淡雅香生產(chǎn)線葉片段共包含切片、回潮、加料、儲葉共4個工序段。其主要設(shè)備包括：1塊Logix5555 CPU、2塊內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)卡、1塊外網(wǎng)網(wǎng)卡、1個遠(yuǎn)程IO、3臺交換機(jī)、20個分布式子站、32臺變頻器。其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1。

工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸采用競爭機(jī)制，在數(shù)據(jù)通訊量過大時，容易造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，無法滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)崟r性的要求；從原有的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中可以看出，所有的20個子站及32臺變頻器組均通過內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)卡1這一通道進(jìn)行通訊，巨大的數(shù)據(jù)量造成了沉重的通訊壓力，通訊不暢造成的網(wǎng)絡(luò)阻塞常有發(fā)生。另由于工業(yè)以太網(wǎng)“呼叫—應(yīng)答”機(jī)制的作用，一旦某一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通訊不暢，會一直發(fā)送數(shù)據(jù)包尋找該節(jié)點直到網(wǎng)絡(luò)收到該節(jié)點的應(yīng)答響應(yīng)為止，這種機(jī)制會加重網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，在武漢卷煙廠也片段原有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，一旦某一節(jié)點的通訊不暢，則會對整個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響。例如一條生產(chǎn)線保養(yǎng)中分?jǐn)嘧冾l器電源，則另一條生產(chǎn)線會發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障中斷生產(chǎn)。

2 改進(jìn)方法

2.1 對網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架進(jìn)行優(yōu)化

將黃鶴樓A線、B線以及加料段分離：增加1塊CPU控制A線設(shè)備、原有CPU僅作B線控制，并將原有CPU內(nèi)部控制程序按A/B線進(jìn)行分離；A/B線加料CPU從原有機(jī)架獨立出來自成一體，并使用光纖替代以太網(wǎng)線與原有機(jī)架上的CPU通訊；每塊CPU均配置一塊以太網(wǎng)網(wǎng)卡，每塊網(wǎng)卡相互之間不交聯(lián)，僅與各自的CPU進(jìn)行通訊；將所有通訊節(jié)點（子站、變頻器）按照A/B線及A/B線加料劃分為4個部分，分別接入獨立的交換機(jī)通過各自CPU對應(yīng)的網(wǎng)卡通訊；A線與B線CPU之間利用機(jī)架背板通訊、A/B線加料CPU之間使用光纖通訊。改造后的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖2。

改造后，原有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點被劃分成4個部分：A/B線及A/B線加料。每個部分通過獨立的通訊通道與CPU通訊。整個網(wǎng)絡(luò)由改造前的1個通訊通道連接52個節(jié)點變?yōu)楦脑旌蟮?個通訊通道連接52個節(jié)點，節(jié)點分布狀態(tài)如表1。

2.2 對網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)

由于工業(yè)以太網(wǎng)良好的兼容性，武漢卷煙廠從企業(yè)信息層到現(xiàn)場控制層采用以太網(wǎng)“一網(wǎng)到底”的思路[7]，因此葉片段的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)以普通以太網(wǎng)的通用8芯網(wǎng)線為主，而這種常規(guī)的通用屏蔽雙絞線其內(nèi)阻、線間電容等參數(shù)無法與工業(yè)交換機(jī)匹配，抗電磁干擾能力較差，傳輸距離上存在限

制[2]，網(wǎng)線水晶頭的制作要求高，通訊質(zhì)量不理想。

西門子原裝Profinet 4芯網(wǎng)線，支持TCP/IP通訊協(xié)議，采用雙層屏蔽，抗干擾性好、通訊質(zhì)量優(yōu)秀，且配有FC（快速連接）工具，接頭制作質(zhì)量有保障。將葉片段原有的通用8芯雙絞線統(tǒng)一更換為西門子Profinet 4芯網(wǎng)線，網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力有明顯增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)報警頻次進(jìn)一步減少。

3 對于環(huán)境雜波干擾進(jìn)行屏蔽和過濾

在對葉片段的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的重組和傳輸介質(zhì)的更換后，網(wǎng)絡(luò)故障報警次數(shù)大幅減少，但兩條生產(chǎn)線同時生產(chǎn)時偶爾還會出現(xiàn)I/O子站的通訊故障。

①考慮到I/O子站內(nèi)動力電源以及電機(jī)單元頻繁啟動/停止對網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的影響，將子站通訊網(wǎng)線重新走線，與動力電纜分離，并用金屬管進(jìn)行屏蔽。

②交換機(jī)本身具有過濾雜波和減少沖突域的功能，因此在每個子站中增加一個濾波交換機(jī)（在武漢卷煙廠應(yīng)用中選用帶接地功能的菲尼克斯5口交換機(jī)），由電柜總交換機(jī)布放而來的西門子Profinet 4芯網(wǎng)線首先接入子站的濾波交換機(jī)，而后通過另一段網(wǎng)線接入I/O子站的網(wǎng)卡。由濾波交換機(jī)接入子站網(wǎng)卡的這段網(wǎng)線，最初選用的是同型的西門子Profinet 4芯網(wǎng)線，實際使用效果不好，網(wǎng)絡(luò)故障仍時有發(fā)生，而當(dāng)使用非屏蔽的普通8芯安普網(wǎng)線替代西門子Profinet 4芯網(wǎng)線后，網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量大大改善，在生產(chǎn)過程中未再發(fā)生I/O子站通訊故障。

采用上述多種方法對原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)后，分別統(tǒng)計改進(jìn)前后5個月的網(wǎng)絡(luò)故障報警次數(shù)并進(jìn)行對比，統(tǒng)計結(jié)果如表2。

上表數(shù)據(jù)表明，改進(jìn)后，網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量得到明顯改變，極大降低了工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)生頻次，達(dá)到改進(jìn)的預(yù)期效果。

4 結(jié)語

應(yīng)對工業(yè)以太網(wǎng)使用過程中頻繁發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)故障，使用多種方法改進(jìn)原有網(wǎng)絡(luò)，基本思路如下：

（1）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少單個網(wǎng)絡(luò)通道中的數(shù)據(jù)通訊量；不同生產(chǎn)線、甚至部分重要主機(jī)設(shè)備實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隔離，避免相互影響。（2）網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)選用屏蔽良好、通訊質(zhì)量優(yōu)秀的西門子原裝Profinet 4芯網(wǎng)線替代通用8芯雙絞線。（3）注意網(wǎng)絡(luò)布線的外界環(huán)境，使其遠(yuǎn)離動力電源、變頻器等干擾源，并進(jìn)行良好的電磁屏蔽。在網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生較高的節(jié)點，可增加子交換機(jī)進(jìn)行雜波

濾波。

經(jīng)過改造，Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生頻次大大降低，網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量得到明顯改善，間接提高了生產(chǎn)過程的連續(xù)性、一定程度上保證了過程工藝質(zhì)量。上述經(jīng)驗可用于所有Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用場合，具有良好的推廣和借鑒意義。

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