顧華

（上汽通用汽車有限公司，上海 201208）

工業(yè)以太網(wǎng)是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但是實(shí)際產(chǎn)品和應(yīng)用卻又完全不同。主要表現(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等方面均需滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。故在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制應(yīng)用的是與商用以太網(wǎng)不同的工業(yè)以太網(wǎng)。

目前，工業(yè)以太網(wǎng)正被越來越多地應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線正逐步被淘汰，并升級(jí)為工業(yè)以太網(wǎng)。然而，無論使用哪種通訊技術(shù)，通訊質(zhì)量的可靠性都是使用者最關(guān)心的，如何確保已部署的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)是安全、可靠的，就是本文要討論的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 背景

某車間新建項(xiàng)目的電控系統(tǒng)使用了工業(yè)以太網(wǎng)，進(jìn)入驗(yàn)收階段后，如何確認(rèn)供應(yīng)商安裝并調(diào)試的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)安全、可靠，成了迫在眉睫的問題，急需對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，并開發(fā)一套工業(yè)以太網(wǎng)質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，作為項(xiàng)目驗(yàn)收和日常運(yùn)維的有效手段。

2 檢測(cè)技術(shù)研究

一個(gè)完整的通訊網(wǎng)絡(luò)由傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)組件組成，對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)質(zhì)量的檢測(cè)，需要考慮所有組成部分對(duì)通訊質(zhì)量的影響。對(duì)于傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)組件配置的檢查，可以在離線狀態(tài)下完成，而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通訊情況則必須在網(wǎng)絡(luò)在線運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)，以下將詳細(xì)介紹各組成部分的檢測(cè)技術(shù)與檢測(cè)方法。

2.1 離線檢測(cè)

離線檢測(cè)是在系統(tǒng)未投入運(yùn)行的狀態(tài)下，對(duì)傳輸介質(zhì)、電磁兼容性以及通訊設(shè)備參數(shù)設(shè)置等進(jìn)行的檢查。

2.1.1介質(zhì)檢測(cè)

工業(yè)以太網(wǎng)通訊傳輸介質(zhì)主要是工業(yè)屏蔽雙絞線（4芯或8芯）和光纖，檢測(cè)方法主要是儀表檢測(cè)。通過專用的工業(yè)以太網(wǎng)介質(zhì)檢測(cè)工具，可以得到完整的介質(zhì)檢測(cè)報(bào)告，包括長(zhǎng)度、傳輸時(shí)延、插入損耗、串?dāng)_、線序圖等，根據(jù)這些指標(biāo)結(jié)果，對(duì)比技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，即可作為項(xiàng)目驗(yàn)收的依據(jù)。圖1是某工業(yè)屏蔽雙絞線（4芯）的部分檢測(cè)結(jié)果舉例。

圖1 工業(yè)屏蔽雙絞線檢測(cè)結(jié)果

2.1.2電磁兼容性檢測(cè)

電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，以下簡(jiǎn)稱EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生電磁騷擾的能力。因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁騷擾不能超過一定的限值；另一方面是指設(shè)備對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁騷擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。由于工業(yè)以太網(wǎng)是弱電系統(tǒng)，對(duì)其所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁騷擾微乎其微，可以忽略不計(jì)，反而其受到周圍環(huán)境中存在的電磁騷擾而產(chǎn)生通訊問題的情況更為嚴(yán)重。因此，對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)做EMC檢測(cè)主要是出于第二方面的考慮。此外，EMC費(fèi)效比關(guān)系遵循問題越早考慮、越早解決，費(fèi)用越小、效果越好的規(guī)律，因此，將EMC檢測(cè)作為項(xiàng)目驗(yàn)收的檢測(cè)項(xiàng)目之一是非常有必要的。

對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)EMC檢測(cè)，主要檢測(cè)兩個(gè)指標(biāo)，分別是電纜屏蔽層泄漏電流和電纜屏蔽層接地環(huán)路電阻，前者使用微安級(jí)漏電流鉗表，后者使用接地環(huán)路電阻測(cè)試鉗表。這兩個(gè)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果都必須小于一定的數(shù)值，否則，系統(tǒng)就存在EMC干擾的風(fēng)險(xiǎn)，需要采取針對(duì)性的整改措施。

2.1.3配置檢查

不同于普通商用網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)環(huán)境下使用的工業(yè)以太網(wǎng)根據(jù)不同的通訊要求會(huì)采取不同的配置策略，以確保系統(tǒng)能夠正常工作。配置策略最終通過網(wǎng)絡(luò)組件上的具體配置實(shí)現(xiàn)，因此配置參數(shù)是否正確對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量影響巨大。最簡(jiǎn)單的半、全雙工配置都有可能因?yàn)樵O(shè)備的不支持而導(dǎo)致通訊問題的出現(xiàn)。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)組件配置參數(shù)的檢查主要分為功能類和管理類。功能類參數(shù)指直接對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊功能產(chǎn)生影響的參數(shù)，如是否環(huán)網(wǎng)冗余、系統(tǒng)間是否路由通訊、VLAN劃分是否正確、是否開啟了組播管理功能等；管理類參數(shù)指為了更好的維護(hù)與診斷網(wǎng)絡(luò)組件而進(jìn)行的設(shè)置，如系統(tǒng)時(shí)間、固件備份、系統(tǒng)日志、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、系統(tǒng)資產(chǎn)清單等。由以上配置參數(shù)的檢查形成一張完整的檢查清單，通過逐項(xiàng)檢查，消除系統(tǒng)配置錯(cuò)誤所帶來的隱患。

2.2 在線檢測(cè)

離線檢測(cè)全部完成并取得通過后，說明系統(tǒng)已經(jīng)具備了良好的通訊基礎(chǔ)，但是，系統(tǒng)上電并投入正常運(yùn)行后，是否存在其他隱患，仍需要對(duì)其在線運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)才能夠得到確認(rèn)。此外，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)了冗余功能，也需要在正常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行模擬測(cè)試，以確保其正?？捎谩?/p>

2.2.1 運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)

工業(yè)以太網(wǎng)由普通商用以太網(wǎng)發(fā)展而來，因此，一些反映商用以太網(wǎng)質(zhì)量的指標(biāo)也可以用于工業(yè)以太網(wǎng)，只是標(biāo)準(zhǔn)要求更高。如抖動(dòng)、報(bào)文錯(cuò)誤、碎片封包、數(shù)據(jù)包丟包、數(shù)據(jù)包碰撞、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等，商用以太網(wǎng)可以容忍一定時(shí)間內(nèi)，若干個(gè)連續(xù)錯(cuò)誤，只要不是長(zhǎng)時(shí)間的斷網(wǎng)，都可以通過重新發(fā)起請(qǐng)求來解決。但是工業(yè)環(huán)境絕不容許這樣的情況發(fā)生，在給定的監(jiān)視時(shí)間內(nèi)（通常是毫秒級(jí)），必須得到能夠通過校驗(yàn)機(jī)制檢查的正確的數(shù)據(jù)包，否則系統(tǒng)就會(huì)報(bào)錯(cuò)，并影響正常生產(chǎn)。除了這些通用指標(biāo)之外，還有一些用于工業(yè)以太網(wǎng)的特殊指標(biāo)，如工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)包流量與其他協(xié)議數(shù)據(jù)包（如視頻流數(shù)據(jù)）流量總和的流量比例，它能夠反映系統(tǒng)中是否存在過量的與工控?zé)o關(guān)的數(shù)據(jù)包，由于這些數(shù)據(jù)包的傳輸機(jī)制不同于工控協(xié)議，不受控的重傳可能會(huì)發(fā)生擠占帶寬的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致工控?cái)?shù)據(jù)包無法正常傳輸。圖2是某系統(tǒng)通訊流量統(tǒng)計(jì)分析圖，其中，可以發(fā)現(xiàn)ARP報(bào)文占比較多，進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)，某設(shè)備不斷地向系統(tǒng)中不存在的IP地址發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，占用了大量的帶寬，原因是該設(shè)備下載了模板程序后，對(duì)無用程序和錯(cuò)誤IP未刪減和修改，導(dǎo)致大量無用報(bào)文的產(chǎn)生。

圖2 通訊流量統(tǒng)計(jì)分析圖

2.2.2 冗余性測(cè)試

從功能性的角度來說，以上的檢測(cè)全部完成并通過后，說明網(wǎng)絡(luò)初建時(shí)的隱患已被排除，網(wǎng)絡(luò)可以投入正常使用了。但是從安全性的角度來說還有所欠缺，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)總是會(huì)考慮一定的冗余能力，這是在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，確保網(wǎng)絡(luò)能夠快速恢復(fù)可用狀態(tài)的必要措施。因此還需在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行冗余性測(cè)試，即人為斷開冗余保護(hù)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)，觀察系統(tǒng)自愈時(shí)間是否滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。圖3是某系統(tǒng)冗余性測(cè)試舉例，斷開網(wǎng)線后，網(wǎng)絡(luò)能夠迅速恢復(fù)，自愈時(shí)間為30ms，恢復(fù)過程中網(wǎng)絡(luò)零丟包。

圖3 系統(tǒng)冗余性測(cè)試

3 結(jié)語

本文討論了當(dāng)前主流的工業(yè)以太網(wǎng)質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)指標(biāo)及檢測(cè)對(duì)象，檢測(cè)對(duì)象包括了傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)組件，通過實(shí)施離線、在線以及冗余性檢測(cè)，對(duì)可能影響工業(yè)以太網(wǎng)通訊質(zhì)量的因素進(jìn)行全方位評(píng)估，形成了一套完整的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，為工業(yè)以太網(wǎng)質(zhì)量評(píng)估提供了一種可行且可靠的方法。