工业以太网网络故障的应对实践

秦明星 黄堃 王志强 朱文斌 庞浩

摘 要：为了应对工业以太网在使用过程中频繁发生网络故障的现象，利用对网络节点重新规划分配、减小通讯量、减轻网络传输负担，选用高质量的网络传输介质、对网络外界杂波干扰进行屏蔽的方法，对原有的工业以太网络进行大幅改进，经过统计，月平均故障报警次数由改进前的28次变为改进后的2次，网络故障的发生频次得到明显降低。因此，以上改进方法可有效应对工业以太网使用过程中最为常见的网络故障问题，起到极大减少或根除以太网网络故障的作用。

关键词：工业以太网 网络故障 杂波过滤 电磁屏蔽 网络结构优化

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（c）-00-03

Ethernet/IP工业以太网作为一种新兴的行业技术，目前已成为下一代工业产品中最具发展潜力和特点的技术，广泛应用于采矿、食品生产、污水处理等工业领域，在济南、厦门、武汉等多家国内卷烟生产厂得到实际应用[5-7]，在烟草行业中，Ethernet/IP工业以太网主要应用在烟草制丝的自动化控制环节[7-8]。不同于DeviceNet、ControlNet等传统的现场工业总线[1]，以太网采用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD），实时性较差，加上其特有的超时重发机制，使得网络中单点的故障容易扩散[2-4]，给整个网络通讯带来沉重的负担，因此网络故障对工业以太网的稳定运行造成较大影响。在目前国内外的相关研究中，对于网络故障发生的具体成因尚无明确的定论，对于应用实例中的网络故障源头缺乏有效的排查手段，少数的工业以太网故障排除案例[9]由于网络构架、硬件设备等与烟草行业应用存在较大差别，其经验无法得到有效推广，至今缺少切实有效的方法应对工业以太网的网络故障。尝试使用网络构架优化、传输介质改进、现场杂波过滤屏蔽等方法，降低网络故障的发生频次。

1 改造前网络状况概述

武汉卷烟厂两条黄鹤楼淡雅香生产线（A线、B线）均使用洛克韦尔自动化公司（Rockwell Automation）的工业以太网，实现“一网到底”的思路[7][10]。整条生产线叶片处理线、叶丝处理线、混丝处理线和加香处理线4个控制工艺段。其中、叶片段的设备构架最为复杂、网络故障的发生最为频繁，以叶片处理段为例，尝试使用多种方法进行改进研究。

黄鹤楼淡雅香生产线叶片段共包含切片、回潮、加料、储叶共4个工序段。其主要设备包括：1块Logix5555 CPU、2块内网网卡、1块外网网卡、1个远程IO、3台交换机、20个分布式子站、32台变频器。其网络构架如图1。

工业以太网数据传输采用竞争机制，在数据通讯量过大时，容易造成网络阻塞，无法满足工业控制领域对实时性的要求；从原有的网络构架中可以看出，所有的20个子站及32台变频器组均通过内网网卡1这一通道进行通讯，巨大的数据量造成了沉重的通讯压力，通讯不畅造成的网络阻塞常有发生。另由于工业以太网“呼叫—应答”机制的作用，一旦某一网络节点通讯不畅，会一直发送数据包寻找该节点直到网络收到该节点的应答响应为止，这种机制会加重网络负担，在武汉卷烟厂也片段原有的网络架构中，一旦某一节点的通讯不畅，则会对整个网络产生影响。例如一条生产线保养中分断变频器电源，则另一条生产线会发生网络故障中断生产。

2 改进方法

2.1 对网络构架进行优化

将黄鹤楼A线、B线以及加料段分离：增加1块CPU控制A线设备、原有CPU仅作B线控制，并将原有CPU内部控制程序按A/B线进行分离；A/B线加料CPU从原有机架独立出来自成一体，并使用光纤替代以太网线与原有机架上的CPU通讯；每块CPU均配置一块以太网网卡，每块网卡相互之间不交联，仅与各自的CPU进行通讯；将所有通讯节点（子站、变频器）按照A/B线及A/B线加料划分为4个部分，分别接入独立的交换机通过各自CPU对应的网卡通讯；A线与B线CPU之间利用机架背板通讯、A/B线加料CPU之间使用光纤通讯。改造后的网络构架如图2。

改造后，原有的网络节点被划分成4个部分：A/B线及A/B线加料。每个部分通过独立的通讯通道与CPU通讯。整个网络由改造前的1个通讯通道连接52个节点变为改造后的4个通讯通道连接52个节点，节点分布状态如表1。

2.2 对网络传输介质进行改进

由于工业以太网良好的兼容性，武汉卷烟厂从企业信息层到现场控制层采用以太网“一网到底”的思路[7]，因此叶片段的网络传输介质以普通以太网的通用8芯网线为主，而这种常规的通用屏蔽双绞线其内阻、线间电容等参数无法与工业交换机匹配，抗电磁干扰能力较差，传输距离上存在限

制[2]，网线水晶头的制作要求高，通讯质量不理想。

西门子原装Profinet 4芯网线，支持TCP/IP通讯协议，采用双层屏蔽，抗干扰性好、通讯质量优秀，且配有FC（快速连接）工具，接头制作质量有保障。将叶片段原有的通用8芯双绞线统一更换为西门子Profinet 4芯网线，网络抗干扰能力有明显增强，网络报警频次进一步减少。

3 对于环境杂波干扰进行屏蔽和过滤

在对叶片段的网络进行了网络构架的重组和传输介质的更换后，网络故障报警次数大幅减少，但两条生产线同时生产时偶尔还会出现I/O子站的通讯故障。

①考虑到I/O子站内动力电源以及电机单元频繁启动/停止对网络传输造成的影响，将子站通讯网线重新走线，与动力电缆分离，并用金属管进行屏蔽。

②交换机本身具有过滤杂波和减少冲突域的功能，因此在每个子站中增加一个滤波交换机（在武汉卷烟厂应用中选用带接地功能的菲尼克斯5口交换机），由电柜总交换机布放而来的西门子Profinet 4芯网线首先接入子站的滤波交换机，而后通过另一段网线接入I/O子站的网卡。由滤波交换机接入子站网卡的这段网线，最初选用的是同型的西门子Profinet 4芯网线，实际使用效果不好，网络故障仍时有发生，而当使用非屏蔽的普通8芯安普网线替代西门子Profinet 4芯网线后，网络通讯质量大大改善，在生产过程中未再发生I/O子站通讯故障。

采用上述多种方法对原有网络进行改进后，分别统计改进前后5个月的网络故障报警次数并进行对比，统计结果如表2。

上表数据表明，改进后，网络通讯质量得到明显改变，极大降低了工业以太网网络故障的发生频次，达到改进的预期效果。

4 结语

应对工业以太网使用过程中频繁发生的网络故障，使用多种方法改进原有网络，基本思路如下：

（1）优化网络结构，减少单个网络通道中的数据通讯量；不同生产线、甚至部分重要主机设备实现网络隔离，避免相互影响。（2）网络介质选用屏蔽良好、通讯质量优秀的西门子原装Profinet 4芯网线替代通用8芯双绞线。（3）注意网络布线的外界环境，使其远离动力电源、变频器等干扰源，并进行良好的电磁屏蔽。在网络故障发生较高的节点，可增加子交换机进行杂波

滤波。

经过改造，Ethernet/IP工业以太网的网络故障发生频次大大降低，网络通讯质量得到明显改善，间接提高了生产过程的连续性、一定程度上保证了过程工艺质量。上述经验可用于所有Ethernet/IP工业以太网应用场合，具有良好的推广和借鉴意义。

参考文献

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[2] 陈昕光，许勇.以太网应用于工业控制系统的实时性研究[J].自动化仪表，2005，26（8）：10.

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[10] 马世平.基于以太网的控制网络和信息网络融合的研究[J].工业控制计算机，2003（7）：4-6.