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

        2013-04-29 15:18:06秦明星黃堃王志強(qiáng)朱文斌龐浩
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2013年6期
        關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)故障

        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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(yùn)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(shí)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(yàn)無法得到有效推廣,至今缺少切實(shí)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(shí)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)?shí)時性的要求;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(diǎn)通訊不暢,會一直發(fā)送數(shù)據(jù)包尋找該節(jié)點(diǎn)直到網(wǎng)絡(luò)收到該節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(dú)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(diǎn)(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(dú)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(diǎn)被劃分成4個部分:A/B線及A/B線加料。每個部分通過獨(dú)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(diǎn)變?yōu)楦脑旌蟮?個通訊通道連接52個節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shí)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(diǎn),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(yàn)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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