工廠電氣自動化控制以太網技術的系統模式與故障排除研究

王金鵬

[摘? ? 要] 簡單介紹了工廠電氣自動化控制系統中的以太網傳輸規則，分析了基于以太網技術的工廠電氣自動化控制系統模式，并對基于以太網技術的工廠電氣自動化控制系統的故障表現、排除對策進行了進一步探究，以使工廠電氣自動化控制系統功能平穩、安全發揮。

[關鍵詞]工廠電氣自動化;以太網技術;故障排除

[中圖分類號]TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–00–03

Research on System Mode and Troubleshooting of Factory

Electrical Automation Control Ethernet Technology

Wang Jin-peng

[Abstract]Ethernet technology has gradually become the preferred technology for industrial electrical automation control systems due to its high communication rate， low cost， rich software and hardware resources， and wide application range. Therefore， this paper briefly introduces the Ethernet transmission rules in the factory electrical automation control system， analyzes the factory electrical automation control system mode based on Ethernet technology， and makes a discussion on the fault performance and elimination countermeasures of the factory electrical automation control system based on Ethernet technology. In order to further explore， we hope to provide reference for the smooth and safe play of the functions of the factory electrical automation control system.

[Keywords]factory electrical automation; ethernet technology; troubleshooting

在工業自動化發展進程中，工廠控制系統所需傳輸的信息量日益遞增，傳輸的數據信息類型日趨復雜，對網絡技術的互聯性、開放性、速率、帶寬均提出了更高的要求。以往工廠電氣自動化控制技術為現場總線技術，存在標準繁多、通信速率低等問題，無法滿足工程控制系統對信息傳輸的要求。因此，研究工廠電氣自動化控制以太網技術的系統模式具有非常重要的意義。

1 工廠電氣自動化控制系統中以太網技術傳輸規則

1.1 網絡服務與數據對象一致

工業電氣自動化控制系統中的以太網主要為用戶提供3種主要服務，即控制、配置、采集。控制主要用于完成控制設備、輸入輸出設備之間數據交換，需要嚴格遵循實時性要求;配置則是便于利用個人計算機及類似設備對電氣自動化系統運行過程中的設備進行編程、配置，如批量處理配方等;采集則是根據人機界面顯示、故障處理、趨勢圖繪制需求進行系統運行中各種數據的自動化采集。在上述網絡服務開展過程中，需要確保網絡服務、數據對象一致性，方可滿足網絡之間數據交換、共享需求。

1.2 基帶傳輸信號基本穩定

在工廠電氣自動化控制系統中，以太網技術主要依賴基帶傳輸實現，基帶特指原始信號占據的基本頻帶。以太網信號本質上為基帶信號，即高電平、低電平持續交替變換的信號。在基帶傳輸時，可以促使1個基帶信號占用傳輸介質的全部信道，實現基帶信號直接在信道中傳輸。因基帶傳輸信道頻帶寬度較大，且其近距離傳輸范圍內信號衰減處于較小的數值，100 m內基帶信號內容處于基本穩定水平，不僅降低了調制解調設備配置成本，而且可以保證速率、誤碼率與標準要求相符。同時以太網技術在傳輸時可以直接完成信號編碼，將信號頻率控制在極低的水平，帶動信號傳輸對線路帶寬要求下降。比如，經過編碼功率譜操作，100BASE-TX、1000BASE-T可以降低至31.25 MHz，在滿足基帶信號傳輸速率要求的同時，降低信號頻率。

2 基于以太網技術的工廠電氣自動化控制系統模式

2.1 自協商

自協商模式是基于以太網技術的工廠電氣自動化控制系統的主要技術，其是一種與鏈路脈沖信號密度緊密相關的模式。自協商模式本質上是經特定網絡設備將個體支持工作模式信息向網絡接收端發送，并接收對端發送的信息，滿足雙工模式下10 M/100 M/1000 M速率自協商需求。自協商模式不需專用數據包，可以完全以物理層的芯片為基礎進行設計，更高層協議額外消耗處于較低的水平。同時自協商模式允許設備雙方利用“協商討論”的方式達成可行的最高傳輸頻率，進而利用FLP（快速鏈路脈沖）信號交換設備雙方傳輸能力，作為接收一端可以了解作為發送一端的傳輸能力，為設備雙方從高級到低級協商探尋雙方共有最佳方式提供依據。雙方優先級別如圖1所示。

在依據圖1由高級到低級進行自協商時：

①鏈路兩端設備開展自協商，鏈路中每一個網絡設備上電并發出管理命令。若存在用戶干預，則由用戶端發出快速鏈路脈沖協商信息。

②從快速鏈路脈沖協商信息封裝序列中提取時鐘/數字序列，了解端設備支持的工作模式，可用于協商連接機制的相關信息。

③引入Parallel Detection（并行檢測）機制，實現對端不可支持自協商情況下的連接。即基于具有自協商功能的設備端口，在無法接收快速鏈路脈沖信號的情況下檢測是否存在10 M鏈路特征信號、100 M鏈路特征信號。若檢測到NLP（自然語言處理）信號，則判定對端支持10 M速率;若檢測到4B編碼的Idle波形或5B編碼的Idle波形，則判定對端支持100 M速率。

2.2 案例

以某精細化工廠電氣自動化控制為例，該精細化工廠工藝操作流程為：抽真空→氮氣置換→進原料→開啟攪拌→混合→反應→靜置→分層→成品轉移。在精細化工廠未使用電氣自動化控制系統前，抽真空、氮氣置換、進原料、開啟攪拌、混合等環節一一對立，雖可完成固定化工品的大批量制造，但無法滿足新型化工品開發投產需求。同時由于現場“抽真空”“混合”等環節控制屏人機界面功能不夠多樣，一旦控制屏出現故障，就會影響對應環節生產效率，甚至干擾整條制造線運行。因此，根據精細化工廠主要生產流程長、全生命周期工序繁雜、設備類型多樣的特點，可以在“抽真空”“進原料”“混合”“成品轉移”工藝段引入PLC（可編程邏輯控制器）進行電氣自動化改造。

從控制體系來看，基于以太網技術的工廠電氣自動化控制包括管理層、現場層、控制層多個層級，可以經Real Time Ethernet（實時工業以太網）聯接企業內全部設備，破除信息流傳輸阻礙。即在TCP/IP（傳輸控制協議/網際協議）、IT（互聯網技術）標準的指導下，將工業以太網與現場總線無縫集成，發掘各自實時性 、便捷性、經濟性、通用性、多速率優勢，滿足信息交互要求。其中以太網系統主要運行設備為交換機、路由器，100BASE-TX、10BASE-T、1000BASE-T的電接口線纜均為CAT-5 UTP非屏蔽雙絞線，與T568B標準相符，線纜連接口為RJ45標準電介接口，10BASE-T、100BASE-TX線纜線對定義為：“1，2”線對對應TD+、TD-差分線，負責發送數據，而“3，6”線對對應RD+、RD-線對，負責接收數據;1000BASE-T線纜線對定義為全部4對線對（BI_DA±、BI_DB ±、BI_DD ±、BI_DC ±）同時接收、發送數據。

3 基于以太網技術的工廠電氣自動化控制系統故障表現

3.1 物理層故障

在以太網日常運行過程中，物理層故障出現頻率較高，常見的為線纜故障、端口故障、NIC網卡故障、接收發送器故障等。具體表現為：超時傳輸、沖突、幀對齊差錯、幀長度錯誤、噪聲差錯、線纜錯誤等，網絡層故障無法被PLC診斷，對整個工廠電氣自動化控制系統正常發揮功能造成了較大的不利影響。

3.2 數據鏈路層故障

數據鏈路層是以太網技術正常應用的關鍵，其包括邏輯鏈路控制、媒介訪問控制兩個子模塊。其中媒介訪問控制子模塊直接與物理層數據傳輸連接，一旦物理層發生故障，就會間接導致媒介訪問控制子模塊發生故障，進而影響數據鏈路層功能的正常發揮。自協商模式故障主要表現為鏈路兩端設備自協商不成功的故障，且半雙工端口無法同時收發數據，造就數據傳輸速率不正常。比如，自協商模式故障，一端全雙工，另一端半雙工，在網絡流量提升到15%時鏈路中涌現大量錯誤數據包、沖突。

3.3 網絡層故障

工廠電氣自動化控制系統所用數據傳輸模式為競爭模式，在數據通訊量處于較大水平時，極易引發網絡阻塞，限制工廠電氣自動化控制系統實時控制功能的發揮。加之原電氣自動化控制系統網絡中變頻器組、子站均經過內網網卡通訊，而在工業以太網“呼叫—應答”機制下，一旦單個網絡節點通訊受阻，將持續發送數據包尋找應答，最終對整個網絡層造成干擾。

4 基于以太網技術的工廠電氣自動化控制系統故障排除對策

4.1 物理層故障排除

針對物理層故障，可以根據故障表現，進行逐一排除。比如，對于沖突故障，可以在檢測網絡工作模式的基礎上，將網絡工作調整為全雙工模式;針對噪聲故障，可以將噪聲干擾源遠離線纜;針對異常幀故障，可以替換以太網設備接口;針對線纜故障，可以根據線纜故障類型，針對性解決。一般在線纜線對共模信號顯示為正常值的200%或50%，且差分信號為正常值的50%或0時，線路線序錯誤，需要重新梳理連接;而在線纜線對共模信號超出200 mV且差分信號為正常值的200%時，為短路故障，需要切斷電源，修復絕緣。

4.2 數據鏈路層故障排除

在工業以太網Profinet模式下，PLC支持MPI、PPI、自由通信協議等諸多協議，CPU226、CPU224XP對應的2個通訊口均具有獨特的參數。雖然PLC具有自診斷功能，可以簡單判定軟件程序故障、硬件故障類型，并通過故障指示燈知識模塊功能錯誤登記。比如，針對自協商模式故障，可以在保證鏈路兩端設備一定的情況下，根據鏈路不傳輸數據時頻繁檢測鏈路脈沖信號、鏈路傳輸數據時吞吐量極低的信號特征表現，利用PLC模式檢測。確定故障后，將鏈路兩端設定為同一型工作模式，如全雙工，排除故障。

4.3 網絡層故障排除

針對上述網絡側故障表現，維修人員可以在原有CPU（中央處理器）數量一定的情況下，增設1塊CPU控制設備，并利用光纖代替以太網與CPU通訊，其他CPU則具有單獨的以太網網卡，各網卡之間不聯系，僅與對應的CPU進行信息交互。通過將子站、變頻器等通訊節點依據CPU劃分為若干部分并獨立接入交換機，可以在連接節點不變的情況下擴充通訊通道，降低通道堵塞風險。在這個基礎上，針對常規“一網到底”思路下全部利用以太網布置信息層、現場控制層導致的網絡傳輸距離限制，維修者可以摒棄常規通用屏蔽雙絞線，根據工業交換機對線間電容、內阻匹配要求，引入支持TCP/IP（傳輸控制協議/網際協議）協議的Profinet 4芯雙屏蔽網線，利用其自帶的快速連接接頭，提高網絡抗干擾能力。在這個基礎上，將1個濾波交換機增設到每一個子站中，發揮交換機過濾雜波、減少沖突域的功能，屏蔽環境雜波干擾。

5 結束語

基于以太網技術的工廠電氣自動化控制系統集成了現場總線與以太網強大的功能，可以保證自動化解決方案的順利實現。而基于以太網技術的工廠電氣自動化控制過程中物理層、數據鏈路層故障出現概率較高，對系統功能發揮造成了較大的不利影響。因此，應根據以太網技術傳輸規則，深究各故障原因，逐一解決，保證柔性化工廠電氣自動化控制的順利實現。

參考文獻

[1] 李建輝，馬軍.基于工業以太網的高壓輸電測控系統研究[J].數字技術與應用，2021（4）：71-73.

[2] 羅堪，張樂賢，陽霜，等.基于工業以太網的MRP介質冗余技術及其在汽車制造中的應用[J].自動化應用，2021（1）：61-64.

[3] 張奇.在煤礦自動化建設中工業以太網與現場總線技術的運用分析[J].礦業裝備，2020（5）：126-127.

[4] 王錦，江豪.紡織信息化數據集成與故障診斷系統設計[J].中國儀器儀表，2021（9）：26-32.

[5] 辛榮寰，程遠，傅成龍.5G+工業互聯網通信冗余可靠性研究[J].郵電設計技術，2021（7）：1-5.

[6] 馮麗萍， 韓達睿， FENG，等. 以太網通信技術在工廠電氣自動化控制系統中的應用及常見故障診斷[J]. 中小企業管理與科技， 2017（19）：181-182.

[7] 賈源森. 基于全以太網通信的水泥廠電氣與自動化集成控制系統方案[J]. 水泥工程， 2020（6）：42-44.

[8] 黃海娟.工業電氣自動化控制技術的問題及對策研究[J]. 建筑技術研究， 2021， 4（2）：40-41.

[9] 曾智勇. 基于工業以太網的火電廠電氣自動化系統應用研究[J]. 低碳世界， 2015（26）：17-18.

[10] 孫書翔， 馮大為. 基于工業以太網的火電廠電氣自動化系統應用研究[J]. 建筑工程技術與設計， 2016（2）：599.