蒲 林，熊 健，普冬梅，王惠媚，余 超

PU Lin1 , XIONG Jian1, PU Dong-mei2, WANG Hui-mei2, YU Chao2

（1.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司貴定卷煙廠，貴定 551300；2.云南昆船電子設(shè)備有限公司，昆明 650236）

0 引言

工業(yè)控制的信息化發(fā)展，“工業(yè)4.0”、“智能制造”等概念的不斷引入，煙草工業(yè)已出現(xiàn)信息化方向發(fā)展的趨勢[1]，MES執(zhí)行系統(tǒng)、ERP管理系統(tǒng)逐漸滲入到了煙草自動化控制系統(tǒng)中，形成了以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以控制為核心，集控制系統(tǒng)與信息化管理系統(tǒng)于一體的網(wǎng)絡(luò)控制模式。控制系統(tǒng)信息化同時(shí)也面臨著網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化，網(wǎng)絡(luò)的通訊效率越來越重要，如何監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的通訊狀態(tài)成為首要解決的問題。對于一個(gè)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷的最直接的辦法，一是通過直接連接交換機(jī)的Console口進(jìn)行交換機(jī)信息查詢，了解故障發(fā)生原因，這種方式不占用交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)資源，但是只能近距離查詢；二是使用Telent、Web、SNMP管理工作站對交換機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理[2]，然而這兩種方式都需要對網(wǎng)絡(luò)中的每臺交換機(jī)都有物理上的連接，并且需要對交換機(jī)有一定的了解，同時(shí)直接訪問交換往往會帶來安全問題。網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)通過NM通訊機(jī)來解決交換機(jī)直接訪問的安全性問題和分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的診斷問題。

1 網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

隨著煙草集控系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加，網(wǎng)絡(luò)也由單個(gè)光纖冗余環(huán)網(wǎng)發(fā)展到管理和控制隔離的雙冗余環(huán)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營效率等問題隨之而來。目前對集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)診斷僅局限于通過PLC獲取到變頻器、子站等Profinet網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)通斷狀態(tài)，對網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及故障原因沒有一個(gè)很好的監(jiān)視和分析作用。網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)，輕則影響單個(gè)控制段的生產(chǎn)，重則影響整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。通常網(wǎng)絡(luò)管理員需要花費(fèi)大量的時(shí)間查詢故障發(fā)源點(diǎn)，才能進(jìn)一步分析故障原因。為此文章提出了一套網(wǎng)絡(luò)診斷的解決方案。分析車間常見的網(wǎng)絡(luò)故障問題，歸結(jié)如下：

1）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電系統(tǒng)故障

由于外部供電不穩(wěn)定、電源線路老化、雷擊等原因?qū)е码娫磽p壞或風(fēng)扇停止，從而不能正常工作。故障表現(xiàn)為面板上的Power指示燈熄滅。

2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口故障

端口故障一般分為兩種，一種是端口硬件損壞，這種情況可以通過設(shè)備上的指示燈來排查，網(wǎng)絡(luò)管理員需要到故障現(xiàn)場查看；第二種故障是由于廣播風(fēng)暴造成網(wǎng)絡(luò)傳輸通道堵塞，表現(xiàn)為通訊反應(yīng)緩慢、交換機(jī)端口狀態(tài)有時(shí)為“up”，有時(shí)為“down”。

3）端口流量異常

當(dāng)車間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)遭受病毒攻擊，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的異常流量并向外發(fā)送，這些異常流量會發(fā)向車間交換機(jī)的業(yè)務(wù)端口，當(dāng)流量達(dá)到一定程度后會造成交換機(jī)端口忙于處理異常流量，沒有多余的硬件資源處理正常的業(yè)務(wù)流量，導(dǎo)致業(yè)務(wù)使用受到影響[3]，引起網(wǎng)絡(luò)中斷。

2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)診斷方案設(shè)計(jì)

對整個(gè)控制系統(tǒng)而言，網(wǎng)絡(luò)問題成為影響煙草自動化控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的關(guān)鍵因素，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障后，需要以最短時(shí)間、最小代價(jià)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和定位故障，快速處理，保障網(wǎng)絡(luò)安全，提高生產(chǎn)線的運(yùn)行效率[4]。

在工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常采用雙冗余環(huán)網(wǎng)、雙電源供電等措施，來保證網(wǎng)絡(luò)的高效性和可靠性；方案設(shè)計(jì)中提供了一套實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的端口狀態(tài)、端口流量、子站模塊狀態(tài)，為網(wǎng)絡(luò)通訊提供簡便、直觀的診斷依據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備異常并進(jìn)行報(bào)警，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易維護(hù)性。

圖1 集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

以圖1為例，整個(gè)車間網(wǎng)絡(luò)為環(huán)形管理網(wǎng)、環(huán)型控制網(wǎng)與星型子網(wǎng)的混合型結(jié)構(gòu)，各子網(wǎng)與控制網(wǎng)之間只有一條通訊鏈路；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置清晰、布線簡單。環(huán)網(wǎng)承載管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)，使用光纖冗余網(wǎng)絡(luò)、雙電源供電，保證網(wǎng)絡(luò)的高效性和可靠性；子網(wǎng)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具備獨(dú)立的物理鏈路，最大限度地保留了通訊帶寬，滿足自控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。

結(jié)合煙草集控系統(tǒng)的實(shí)際情況，采用NM通訊機(jī)、FM服務(wù)器及FameView診斷軟件，設(shè)計(jì)一套網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對集控系統(tǒng)生產(chǎn)管理層、集中監(jiān)控層、設(shè)備控制層的網(wǎng)絡(luò)診斷功能，將生產(chǎn)管理層、集中監(jiān)控層、設(shè)備控制層所有以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（包括終端節(jié)點(diǎn)、交換機(jī)）的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、端口流量等信息集中匯總到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，通過圖形化界面預(yù)警、故障監(jiān)測，有效地幫助管理人員及時(shí)掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀況，預(yù)防故障，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)防范能力。

3 網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)狀態(tài)診斷的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用西門子PLC、ScalanceX交換機(jī)、杰控NM通訊機(jī)，通過FMTCP、S7TCP、ScalanceX等通訊驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)對不同層面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通訊狀態(tài)的監(jiān)視及報(bào)警功能。對于控制子網(wǎng)中不能與診斷服務(wù)器直接通訊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，需要通過NM通訊機(jī)對子網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再通過FMTCP協(xié)議送到診斷服務(wù)器（原理如圖2所示）；與服務(wù)器可以直接通訊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，服務(wù)器直接使用ScalanX、NETSTATUS驅(qū)動采集數(shù)據(jù)（原理如圖6所示）。

3.1 子網(wǎng)交換機(jī)、子站模塊信息的獲取

1）硬件配置需求

在每個(gè)控制段PLC所在的控制柜中配置1臺NM通訊機(jī)，通訊機(jī)配置雙網(wǎng)卡，分別接入段內(nèi)控制子網(wǎng)及環(huán)形管理網(wǎng)（如圖1所示），用來得到控制段內(nèi)所有交換機(jī)、終端節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)及PLC模塊和子站模塊的狀態(tài)，從PLC模塊和子站獲得的信息被寫入到控制段PLC的指定DB數(shù)據(jù)塊中，作為控制段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)提供給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器訪問。

2）通訊實(shí)現(xiàn)原理

NM通訊機(jī)通過集成的網(wǎng)絡(luò)診斷驅(qū)動程序ScalanceX，與西門子ScalanceX系列交換機(jī)通訊，可實(shí)時(shí)讀取交換機(jī)的電源狀態(tài)、端口狀態(tài)、端口流量、冗余狀態(tài)等。NM通訊機(jī)通過集成的S7TCP、EtherNet/Logix等驅(qū)動程序，與西門子、AB等PLC通訊來獲得相應(yīng)的狀態(tài)信息。其他品牌的交換機(jī)，需要在設(shè)備端開放SNMP協(xié)議來支持?jǐn)?shù)據(jù)通訊。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程

S7TCP驅(qū)動：采用TCP協(xié)議，用于連接西門子PLC的以太網(wǎng)。

ScalanceX驅(qū)動：采用SNMP協(xié)議，用于監(jiān)控西門子工業(yè)交換機(jī)的狀態(tài)和流量。

SNMP協(xié)議：支持網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，用以監(jiān)測連接到網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備。

FMTCP驅(qū)動：采用TCP協(xié)議，用于網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端NM通訊機(jī)的通訊。

FameView：網(wǎng)絡(luò)診斷監(jiān)視軟件，用于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的可視化顯示及組態(tài)。

與控制子網(wǎng)連接的 NM通訊機(jī)通過設(shè)備數(shù)據(jù)表（如表1所示），獲取到控制子網(wǎng)中的PLC、交換機(jī)、子站等信息數(shù)據(jù)，通過FMTCP協(xié)議把獲取到的數(shù)據(jù)以設(shè)備數(shù)據(jù)表（如表2所示）的方式對應(yīng)送到服務(wù)器上。

表1 NM通訊機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)表

表2 服務(wù)器設(shè)備數(shù)據(jù)表

3）數(shù)據(jù)的展現(xiàn)形式

通過網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動FMTCP讀取到NM通訊機(jī)數(shù)據(jù)表的每個(gè)設(shè)備號中所定義設(shè)備的信息，利用簡潔、直觀的界面展示出來，網(wǎng)絡(luò)管理人員可以通過查看端口信息得到交換機(jī)各端口的通訊狀態(tài)；根據(jù)監(jiān)視端口收發(fā)流量值的周期性檢測結(jié)果，判斷端口是否有異常處理數(shù)據(jù)包，從而判斷端口的穩(wěn)定性。還可以監(jiān)視交換機(jī)自身的故障狀態(tài)、電源狀態(tài)、冗余管理狀態(tài)等（如圖3所示），如果交換機(jī)配置了冗余電源，當(dāng)某路電源出現(xiàn)故障時(shí)，不會影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，但是通過監(jiān)視，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，盡早處理異常。

圖3 交換機(jī)數(shù)據(jù)

報(bào)警信息是網(wǎng)絡(luò)診斷的重要組成部分，（圖4(a)所示）實(shí)時(shí)報(bào)警主要顯示最近產(chǎn)生的報(bào)警及報(bào)警恢復(fù)情況；（圖4(b)所示）歷史報(bào)警主要是歸檔記錄一段時(shí)間段內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)報(bào)警信息，以備故障查看分析及歷史故障追溯，同時(shí)可根據(jù)選擇的時(shí)間段或區(qū)域查看報(bào)警信息。

圖4 報(bào)警記錄查詢

3.2 管理環(huán)網(wǎng)交換機(jī)及站點(diǎn)信息的獲取

NETSTATUS：以太網(wǎng)驅(qū)動，得到局域網(wǎng)段中所有設(shè)備的狀態(tài)。

管理環(huán)網(wǎng)中的通訊節(jié)點(diǎn)，和網(wǎng)絡(luò)診斷服務(wù)器在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，不需要單獨(dú)配置NM通訊機(jī)采集設(shè)備端的數(shù)據(jù)，直接通過FameView服務(wù)器上的數(shù)據(jù)表（如表3所示），獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)。管理環(huán)網(wǎng)中的通訊站點(diǎn)（包括各控制段的NM通訊機(jī)），可以直接通過NetStatus驅(qū)動獲得本網(wǎng)段中所有設(shè)備的狀態(tài)，也可以直接和網(wǎng)段內(nèi)的交換機(jī)進(jìn)行通訊，獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息顯示（如圖5(b)所示）。

表3 服務(wù)器直接訪問的設(shè)備數(shù)據(jù)表

圖5 數(shù)據(jù)采集流程及通訊狀態(tài)顯示

3.3 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)診斷的拓展應(yīng)用

目前煙草行業(yè)集中監(jiān)控系統(tǒng)通常使用西門子公司的WinCC或GE公司的iFix進(jìn)行組態(tài)，為了整合多種監(jiān)控界面，第三方軟件可以利用OPC獲取FameView的數(shù)據(jù)，不需要配置DCOM端口。再通過可視化界面的方式展現(xiàn)所取得的數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)診斷監(jiān)控系統(tǒng)也可以通過OPCUA或OPCDA的方式獲取其他OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)；支持ActiveX控件嵌入使用；診斷系統(tǒng)的界面可以通過Web發(fā)布。

4 結(jié)語

針對煙草集控系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)安全得不到保障的問題，提出了可視化網(wǎng)絡(luò)診斷的方法，從對交換機(jī)端口流量、端口狀態(tài)、子站模塊狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通訊狀態(tài)監(jiān)測出發(fā)，通過可視化界面的方式和報(bào)警查詢方式，實(shí)現(xiàn)簡便、快速、精準(zhǔn)地診斷大多數(shù)以太網(wǎng)為核心的工業(yè)自動化設(shè)備故障，可以節(jié)省大量人力物力[5]，幫助管理人員及時(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)狀況，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)防范能力，為網(wǎng)絡(luò)故障追溯提供信息查詢支持，為煙草集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全性、穩(wěn)定性提供更好的保障。