智能變電站中PROFINET設(shè)備的動態(tài)識別

盧堯，任曉明（上海電機學(xué)院電氣學(xué)院，上?！?1100）吳勇志，李繼先（菲尼克斯電氣有限公司，江蘇　南京　210000）

智能變電站中PROFINET設(shè)備的動態(tài)識別

盧堯，任曉明（上海電機學(xué)院電氣學(xué)院，上海01100）
吳勇志，李繼先（菲尼克斯電氣有限公司，江蘇南京210000）

隨著工業(yè)自動化程度不斷提高，PROFINET工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)變得越來越復(fù)雜也更容易出現(xiàn)故障。因此，一個可靠的PROFINET網(wǎng)絡(luò)故障診斷顯得尤為重要。為了實現(xiàn)PROFINET網(wǎng)絡(luò)拓撲可視化和故障快速定位，本文提出了一種基于SNMP讀取PROFINET網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息的方法。該方法將解析管理信息庫（MIB）中的MAC地址作為中間介質(zhì)，使交換機與所連接的I/O設(shè)備的名稱和IP地址相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)交換機網(wǎng)絡(luò)與I/O設(shè)備的動態(tài)識別。此外，PC WORK上開發(fā)的軟件工具在PROFINET控制系統(tǒng)上進行試驗，驗證了該方法的可行性。

；SNMP；PROFINET；交換機

1　引言

PROFINET由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn)。兼容TCP/IP協(xié)議的實時以太網(wǎng)，能滿足過程控制、工廠自動化和運動控制實時通信要求，已有的系統(tǒng)無需修改就能集成到PROFINET中，系統(tǒng)具有高度開放性和兼容性。隨著工業(yè)自動化以及智能化程度的提高，PROFINET將會在工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用得到普及。交換機在PROFINET這條“信息高速公路”起到至關(guān)重要的作用，將上層網(wǎng)絡(luò)與I/O設(shè)備相連。在設(shè)備運行過程中，故障發(fā)生的時候往往伴隨著網(wǎng)絡(luò)拓撲的改變。因此，有必要實時監(jiān)控以交換機為核心的分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲可視化和網(wǎng)絡(luò)故障快速定位。

2　PROFINET設(shè)備拓撲識別協(xié)議

2.1簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）

SNMP是由一系列規(guī)范和協(xié)議組成的通過收集到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上產(chǎn)生的信息對其進行管理的一種方法。SNMP協(xié)議不會因為節(jié)點設(shè)備的品牌或者型號不同而對其不能進行統(tǒng)一管理，因為其有一個管理不同節(jié)點設(shè)備的平臺［1］。開通SNMP服務(wù)的節(jié)點設(shè)備可以通過SNMP協(xié)議獲取設(shè)備的相關(guān)配置信息，通過分析節(jié)點設(shè)備信息的變化就可以對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備進行統(tǒng)一管理。

SNMP協(xié)議由兩部分構(gòu)成，即網(wǎng)管工作站（network management station）和網(wǎng)管代理（network management agent）。網(wǎng)管工作站是控制和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的應(yīng)用程序，代理是運行于各個被管理的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（主要存在于路由器和交換機）中的進程，它負責(zé)收集本設(shè)備的各種相關(guān)信息。為了便于查詢和管理這些信息，SNMP協(xié)議把它們進行分類定義，成為一個設(shè)備信息的集合，這就是它所定義的管理信息庫MIB。代理進程把收集到的相關(guān)信息都收入MIB庫，這些信息是用來對各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間相互連接關(guān)系的判斷依據(jù)。網(wǎng)管工作站和代理進程進行通信，SNMP定義了Get Request、Get Next Request、Set Request、Get Response、Trap等五種操作對設(shè)備進行信息查詢和參數(shù)設(shè)置。其協(xié)議模型如圖1所示。

圖1　SNMP協(xié)議模型

2.2發(fā)現(xiàn)和基本配置協(xié)議（Discovery and basic Configuration Protocol）

DCP是用于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有PROFINET設(shè)備，然后通過控制器（PLC）可以對PROFINET設(shè)備進行一系列設(shè)置，比如IP地址、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼。所有PROFINET設(shè)備只要在物理上連接到網(wǎng)絡(luò)，就可以自動獲取通信所必須的設(shè)置。

2.3鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Link Layer Discovery Protocol）

LLDP是IEEE802.1AB 定義的一種臨近發(fā)現(xiàn)協(xié)議，用于發(fā)現(xiàn)PROFINET網(wǎng)絡(luò)中的鄰近設(shè)備。這個協(xié)議主要是會將自己的信息告訴鄰居設(shè)備，與此同時也會得到鄰居設(shè)備的詳細信息。LLDP協(xié)議首先對信息的公告，然后通過SNMP協(xié)議進行傳輸，最后將傳輸?shù)男畔⒈４嬖诠芾硇畔霱IB中［2］。PROFINET網(wǎng)絡(luò)中開通LLDP協(xié)議的節(jié)點設(shè)備在收到其鄰居設(shè)備的交互信息時會將這個信息進行一定時間的存儲，以便對網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。其原理示意圖如圖2所示。

圖2　LLDP原理示意圖

3　PROFINET拓撲識別方法

3.1管理信息庫（MIB）

MIB在概念上來說是一個數(shù)據(jù)庫，在其里面存放了被管理對象的控制信息和狀態(tài)信息，是TCP/IP協(xié)議的重要部分。MIB保存了SMI（Structure of Management Information，管理信息結(jié)構(gòu)）定義的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)，并且可以對每一個數(shù)據(jù)項進行必要的操作。對象標(biāo)識符（OID）是SNMP代理提供的具有唯一標(biāo)識的鍵值，MIB提供數(shù)字化OID到可讀文本的映射。通過SNMP操作讀取交換機OID值便可獲得交換機拓撲識別所需的信息，但是由于PROFINET網(wǎng)絡(luò)中的I/O設(shè)備缺失SNMP代理功能，也就無法直接通過SNMP來獲取PFOFINET網(wǎng)絡(luò)中交換機及I/O設(shè)備的完整信息。此時，為了實現(xiàn)拓撲可視化需要借助于MAC地址作為過渡環(huán)節(jié)。因為每臺PROFINET設(shè)備的MAC地址都是唯一的，可以采用SNMP采集交換機存儲在MIB中的IP/MAC地址表和MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表。這兩張表在PROFINET網(wǎng)絡(luò)識別中起到關(guān)鍵作用，在此簡單列出了一些生成拓撲信息圖所必須的信息，如表1所示。

表1　拓撲發(fā)現(xiàn)所需要的一些MIB變量

3.2交換機端口對應(yīng)原理

PROFINET拓撲識別如圖3所示，基于上文所述的協(xié)議，可以得到IP地址表，IP/MAC地址表以及MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表。經(jīng)過解析可以發(fā)現(xiàn)四個變量（IP，Name，MAC，Switch-Port）存在三種對應(yīng)關(guān)系。由此可以得到I/O設(shè)備拓撲表，使得交換機的端口與所連接的I/O設(shè)備之間形成映射［3］。從IP地址表中可以讀取出耦合器的IP為192.168.18，名稱為axl-pn-bk-me。IP/MAC地址表中又能讀取到IP與MAC地址的關(guān)系，此時名稱為axl-pn-bk-me的耦合器對應(yīng)的MAC地址為00：A0：45：8D：B8：B1。在MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表中，與MAC地址相對應(yīng)的又是交換機的端口Switch-Port。最終借助于相同的MAC地址，將交換機的Switch-Port與端口所連接的I/O設(shè)備形成映射。

圖3　交換機端口對應(yīng)原理示意圖

3.3PROFINET網(wǎng)絡(luò)拓撲識別流程

圖4　PROFINET網(wǎng)絡(luò)拓撲識別流程

步驟1：解析DCP獲得IP和I/O設(shè)備名稱之間的對應(yīng)關(guān)系，并存儲到IP地址表。

步驟2：取源MAC地址和源IP地址或目的MAC地址和目的IP地址，生成IP/MAC地址表。

步驟3：通過S N M P從標(biāo)準(zhǔn)管理信息庫（M I B）中用“dotldTpFdbTable”表中的OID值來獲取交換機的MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表。

步驟4：通過SNMP用LLDP-MIB中的“l(fā)ldpRemTable”的OID值來獲取交換機LLDP鄰居表，識別交換機之間的拓撲關(guān)系，最終生成PROFINET設(shè)備拓撲圖，并圖形化顯示拓撲關(guān)系和狀態(tài)。

步驟5：利用交換機的TRAP機制，實時監(jiān)聽交換機各端口狀態(tài)變更事件（如端口中斷或端口連接），自動觸發(fā)上述網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)識別步驟，從而實現(xiàn)PROFINET設(shè)備拓撲動態(tài)生成及圖形化顯示。

4　拓撲圖形顯示驗證

將開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓撲識別軟件應(yīng)用于小型PROFINET控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三臺管理型交換機、一臺可編程控制器（PLC）和一臺耦合器組成。實驗選用的設(shè)備如表2所示，所有的設(shè)備均支持PROFINET。

表2　實驗設(shè)備信息

拓撲軟件能正確地識別出交換機和所連接的I/O設(shè)備間的關(guān)系，拓撲圖形可以顯示網(wǎng)絡(luò)的連接細節(jié)。如上文所提到的名稱為axl-pn-bk-me的耦合器，與根交換機的4號端口相連。編號為sw2的交換機的3號口與根交換機的5號端口相連。模擬sw3與PROFINET網(wǎng)絡(luò)中斷，軟件會顯示sw3處出現(xiàn)中斷無法連接。

實驗結(jié)果驗證了基于SNMP對PROFINET網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拓撲發(fā)現(xiàn)并圖形化顯示的可行性。拓撲構(gòu)建和圖形可視化技術(shù)能夠動態(tài)、直觀地反映PROFINET網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的連接狀態(tài)，有助于PROFINET網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)快速故障定位。系統(tǒng)生成的拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)生成的拓撲結(jié)構(gòu)圖

［1］李玉，魏海平，王福威，等.代理服務(wù)器SNMP管理的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2004，17（2）：94-97.

［2］曾干.基于鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（LLDP）的物理網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)現(xiàn)［J］.電腦知識與技術(shù)：學(xué)術(shù)交流，2006，（20）：45-46.

［3］張勇.基于SNMP的交換機溫度監(jiān)控的實現(xiàn)［J］.計算機與網(wǎng)絡(luò)，2009，35（17）：66-68.

盧堯（1991-），江蘇人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于上海電機學(xué)院，主要研究方向為電氣工程。

任曉明，浙江人，高工，博士，副教授，現(xiàn)職于上海電機學(xué)院。

吳勇志，安徽人，工程師，現(xiàn)就職于菲尼克斯電氣（南京）研發(fā)工程中心有限公司。

李繼先，山東人，工程師，現(xiàn)就職于菲尼克斯電氣（南京）研發(fā)工程中心有限公司。

Dynamic Recognition of PROFINET Equipment in Intelligent Substation

With the continuous improvement of industrial automation，the PROFINET industrial communication network grows in complexity and becomes more vulnerable to errors.Therefore，a reliable PROFINET network diagnosis is getting more and more important.In order to realize the PROFINET network topology visualization and the fast network fault location，this paper proposes an approach for getting the PROFINET network equipment information based on SNMP.This method would parse the MAC address in management information base（MIB）as intermediate medium，making the switch associate with name and IP address of the connected I/O device，realizing the dynamic identification between stitch network and I/O device.Besides，a software tool developed on PC WORK is applied in the PROFINET control system for validating the proposed approach.

SNMP；PROFINET；Switch

B

1003-0492（2016）07-0082-03

TP29