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標準）兼容，但是實際產(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，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、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)場的需要。故在工業(yè)現(xiàn)場控制應(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)場總線正逐步被淘汰，并升級為工業(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內(nèi)容。

1 背景

某車間新建項目的電控系統(tǒng)使用了工業(yè)以太網(wǎng)，進入驗收階段后，如何確認供應(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，急需對工業(yè)以太網(wǎng)的質(zhì)量檢測技術(shù)進行研究，并開發(fā)一套工業(yè)以太網(wǎng)質(zhì)量檢測標準，作為項目驗收和日常運維的有效手段。

2 檢測技術(shù)研究

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

2.1 離線檢測

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

2.1.1介質(zhì)檢測

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，檢測方法主要是儀表檢測。通過專用的工業(yè)以太網(wǎng)介質(zhì)檢測工具，可以得到完整的介質(zhì)檢測報告，包括長度、傳輸時延、插入損耗、串擾、線序圖等，根據(jù)這些指標結(jié)果，對比技術(shù)標準要求，即可作為項目驗收的依據(jù)。圖1是某工業(yè)屏蔽雙絞線（4芯）的部分檢測結(jié)果舉例。

圖1 工業(yè)屏蔽雙絞線檢測結(jié)果

2.1.2電磁兼容性檢測

電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，以下簡稱EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生電磁騷擾的能力。因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運行過程中對所在環(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)，對其所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁騷擾微乎其微，可以忽略不計，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重。因此，對工業(yè)以太網(wǎng)做EMC檢測主要是出于第二方面的考慮。此外，EMC費效比關(guān)系遵循問題越早考慮、越早解決，費用越小、效果越好的規(guī)律，因此，將EMC檢測作為項目驗收的檢測項目之一是非常有必要的。

對于工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)EMC檢測，主要檢測兩個指標，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，前者使用微安級漏電流鉗表，后者使用接地環(huán)路電阻測試鉗表。這兩個指標的檢測結(jié)果都必須小于一定的數(shù)值，否則，系統(tǒng)就存在EMC干擾的風險，需要采取針對性的整改措施。

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現(xiàn)，因此配置參數(shù)是否正確對網(wǎng)絡(luò)運行質(zhì)量影響巨大。最簡單的半、全雙工配置都有可能因為設(shè)備的不支持而導(dǎo)致通訊問題的出現(xiàn)。

對網(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)指為了更好的維護與診斷網(wǎng)絡(luò)組件而進行的設(shè)置，如系統(tǒng)時間、固件備份、系統(tǒng)日志、網(wǎng)絡(luò)拓撲圖、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，通過逐項檢查，消除系統(tǒng)配置錯誤所帶來的隱患。

2.2 在線檢測

離線檢測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)上電并投入正常運行后，是否存在其他隱患，仍需要對其在線運行時的狀態(tài)指標進行檢測才能夠得到確認。此外，如果系統(tǒng)設(shè)計了冗余功能，也需要在正常運行狀態(tài)下進行模擬測試，以確保其正常可用。

2.2.1 運行狀態(tài)檢測

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)量的指標也可以用于工業(yè)以太網(wǎng)，只是標準要求更高。如抖動、報文錯誤、碎片封包、數(shù)據(jù)包丟包、數(shù)據(jù)包碰撞、網(wǎng)絡(luò)負載等，商用以太網(wǎng)可以容忍一定時間內(nèi)，若干個連續(xù)錯誤，只要不是長時間的斷網(wǎng)，都可以通過重新發(fā)起請求來解決。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)視時間內(nèi)（通常是毫秒級），必須得到能夠通過校驗機制檢查的正確的數(shù)據(jù)包，否則系統(tǒng)就會報錯，并影響正常生產(chǎn)。除了這些通用指標之外，還有一些用于工業(yè)以太網(wǎng)的特殊指標，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無關(guān)的數(shù)據(jù)包，由于這些數(shù)據(jù)包的傳輸機制不同于工控協(xié)議，不受控的重傳可能會發(fā)生擠占帶寬的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致工控數(shù)據(jù)包無法正常傳輸。圖2是某系統(tǒng)通訊流量統(tǒng)計分析圖，其中，可以發(fā)現(xiàn)ARP報文占比較多，進一步分析后發(fā)現(xiàn)，某設(shè)備不斷地向系統(tǒng)中不存在的IP地址發(fā)送請求報文，占用了大量的帶寬，原因是該設(shè)備下載了模板程序后，對無用程序和錯誤IP未刪減和修改，導(dǎo)致大量無用報文的產(chǎn)生。

圖2 通訊流量統(tǒng)計分析圖

2.2.2 冗余性測試

從功能性的角度來說，以上的檢測全部完成并通過后，說明網(wǎng)絡(luò)初建時的隱患已被排除，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，因為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計總是會考慮一定的冗余能力，這是在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，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)運行狀態(tài)下對網(wǎng)絡(luò)進行冗余性測試，即人為斷開冗余保護范圍內(nèi)的任意一點，觀察系統(tǒng)自愈時間是否滿足技術(shù)標準要求。圖3是某系統(tǒng)冗余性測試舉例，斷開網(wǎng)線后，網(wǎng)絡(luò)能夠迅速恢復(fù)，自愈時間為30ms，恢復(fù)過程中網(wǎng)絡(luò)零丟包。

圖3 系統(tǒng)冗余性測試

3 結(jié)語

本文討論了當前主流的工業(yè)以太網(wǎng)質(zhì)量檢測技術(shù)、檢測指標及檢測對象，檢測對象包括了傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)組件，通過實施離線、在線以及冗余性檢測，對可能影響工業(yè)以太網(wǎng)通訊質(zhì)量的因素進行全方位評估，形成了一套完整的檢測標準，為工業(yè)以太網(wǎng)質(zhì)量評估提供了一種可行且可靠的方法。