工業以太網網絡故障的應對實踐

秦明星 黃堃 王志強 朱文斌 龐浩

摘 要：為了應對工業以太網在使用過程中頻繁發生網絡故障的現象，利用對網絡節點重新規劃分配、減小通訊量、減輕網絡傳輸負擔，選用高質量的網絡傳輸介質、對網絡外界雜波干擾進行屏蔽的方法，對原有的工業以太網絡進行大幅改進，經過統計，月平均故障報警次數由改進前的28次變為改進后的2次，網絡故障的發生頻次得到明顯降低。因此，以上改進方法可有效應對工業以太網使用過程中最為常見的網絡故障問題，起到極大減少或根除以太網網絡故障的作用。

關鍵詞：工業以太網 網絡故障 雜波過濾 電磁屏蔽 網絡結構優化

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

Ethernet/IP工業以太網作為一種新興的行業技術，目前已成為下一代工業產品中最具發展潛力和特點的技術，廣泛應用于采礦、食品生產、污水處理等工業領域，在濟南、廈門、武漢等多家國內卷煙生產廠得到實際應用[5-7]，在煙草行業中，Ethernet/IP工業以太網主要應用在煙草制絲的自動化控制環節[7-8]。不同于DeviceNet、ControlNet等傳統的現場工業總線[1]，以太網采用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議（CSMA/CD），實時性較差，加上其特有的超時重發機制，使得網絡中單點的故障容易擴散[2-4]，給整個網絡通訊帶來沉重的負擔，因此網絡故障對工業以太網的穩定運行造成較大影響。在目前國內外的相關研究中，對于網絡故障發生的具體成因尚無明確的定論，對于應用實例中的網絡故障源頭缺乏有效的排查手段，少數的工業以太網故障排除案例[9]由于網絡構架、硬件設備等與煙草行業應用存在較大差別，其經驗無法得到有效推廣，至今缺少切實有效的方法應對工業以太網的網絡故障。嘗試使用網絡構架優化、傳輸介質改進、現場雜波過濾屏蔽等方法，降低網絡故障的發生頻次。

1 改造前網絡狀況概述

武漢卷煙廠兩條黃鶴樓淡雅香生產線（A線、B線）均使用洛克韋爾自動化公司（Rockwell Automation）的工業以太網，實現“一網到底”的思路[7][10]。整條生產線葉片處理線、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、葉片段的設備構架最為復雜、網絡故障的發生最為頻繁，以葉片處理段為例，嘗試使用多種方法進行改進研究。

黃鶴樓淡雅香生產線葉片段共包含切片、回潮、加料、儲葉共4個工序段。其主要設備包括：1塊Logix5555 CPU、2塊內網網卡、1塊外網網卡、1個遠程IO、3臺交換機、20個分布式子站、32臺變頻器。其網絡構架如圖1。

工業以太網數據傳輸采用競爭機制，在數據通訊量過大時，容易造成網絡阻塞，無法滿足工業控制領域對實時性的要求；從原有的網絡構架中可以看出，所有的20個子站及32臺變頻器組均通過內網網卡1這一通道進行通訊，巨大的數據量造成了沉重的通訊壓力，通訊不暢造成的網絡阻塞常有發生。另由于工業以太網“呼叫—應答”機制的作用，一旦某一網絡節點通訊不暢，會一直發送數據包尋找該節點直到網絡收到該節點的應答響應為止，這種機制會加重網絡負擔，在武漢卷煙廠也片段原有的網絡架構中，一旦某一節點的通訊不暢，則會對整個網絡產生影響。例如一條生產線保養中分斷變頻器電源，則另一條生產線會發生網絡故障中斷生產。

2 改進方法

2.1 對網絡構架進行優化

將黃鶴樓A線、B線以及加料段分離：增加1塊CPU控制A線設備、原有CPU僅作B線控制，并將原有CPU內部控制程序按A/B線進行分離；A/B線加料CPU從原有機架獨立出來自成一體，并使用光纖替代以太網線與原有機架上的CPU通訊；每塊CPU均配置一塊以太網網卡，每塊網卡相互之間不交聯，僅與各自的CPU進行通訊；將所有通訊節點（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通過各自CPU對應的網卡通訊；A線與B線CPU之間利用機架背板通訊、A/B線加料CPU之間使用光纖通訊。改造后的網絡構架如圖2。

改造后，原有的網絡節點被劃分成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。整個網絡由改造前的1個通訊通道連接52個節點變為改造后的4個通訊通道連接52個節點，節點分布狀態如表1。

2.2 對網絡傳輸介質進行改進

由于工業以太網良好的兼容性，武漢卷煙廠從企業信息層到現場控制層采用以太網“一網到底”的思路[7]，因此葉片段的網絡傳輸介質以普通以太網的通用8芯網線為主，而這種常規的通用屏蔽雙絞線其內阻、線間電容等參數無法與工業交換機匹配，抗電磁干擾能力較差，傳輸距離上存在限

制[2]，網線水晶頭的制作要求高，通訊質量不理想。

西門子原裝Profinet 4芯網線，支持TCP/IP通訊協議，采用雙層屏蔽，抗干擾性好、通訊質量優秀，且配有FC（快速連接）工具，接頭制作質量有保障。將葉片段原有的通用8芯雙絞線統一更換為西門子Profinet 4芯網線，網絡抗干擾能力有明顯增強，網絡報警頻次進一步減少。

3 對于環境雜波干擾進行屏蔽和過濾

在對葉片段的網絡進行了網絡構架的重組和傳輸介質的更換后，網絡故障報警次數大幅減少，但兩條生產線同時生產時偶爾還會出現I/O子站的通訊故障。

①考慮到I/O子站內動力電源以及電機單元頻繁啟動/停止對網絡傳輸造成的影響，將子站通訊網線重新走線，與動力電纜分離，并用金屬管進行屏蔽。

②交換機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（在武漢卷煙廠應用中選用帶接地功能的菲尼克斯5口交換機），由電柜總交換機布放而來的西門子Profinet 4芯網線首先接入子站的濾波交換機，而后通過另一段網線接入I/O子站的網卡。由濾波交換機接入子站網卡的這段網線，最初選用的是同型的西門子Profinet 4芯網線，實際使用效果不好，網絡故障仍時有發生，而當使用非屏蔽的普通8芯安普網線替代西門子Profinet 4芯網線后，網絡通訊質量大大改善，在生產過程中未再發生I/O子站通訊故障。

采用上述多種方法對原有網絡進行改進后，分別統計改進前后5個月的網絡故障報警次數并進行對比，統計結果如表2。

上表數據表明，改進后，網絡通訊質量得到明顯改變，極大降低了工業以太網網絡故障的發生頻次，達到改進的預期效果。

4 結語

應對工業以太網使用過程中頻繁發生的網絡故障，使用多種方法改進原有網絡，基本思路如下：

（1）優化網絡結構，減少單個網絡通道中的數據通訊量；不同生產線、甚至部分重要主機設備實現網絡隔離，避免相互影響。（2）網絡介質選用屏蔽良好、通訊質量優秀的西門子原裝Profinet 4芯網線替代通用8芯雙絞線。（3）注意網絡布線的外界環境，使其遠離動力電源、變頻器等干擾源，并進行良好的電磁屏蔽。在網絡故障發生較高的節點，可增加子交換機進行雜波

濾波。

經過改造，Ethernet/IP工業以太網的網絡故障發生頻次大大降低，網絡通訊質量得到明顯改善，間接提高了生產過程的連續性、一定程度上保證了過程工藝質量。上述經驗可用于所有Ethernet/IP工業以太網應用場合，具有良好的推廣和借鑒意義。

參考文獻

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