工業(yè)以太網質量檢測技術研究

顧華

（上汽通用汽車有限公司，上海 201208）

工業(yè)以太網是應用于工業(yè)控制領域的以太網技術，在技術上與商用以太網（即IEEE 802.3標準）兼容，但是實際產品和應用卻又完全不同。主要表現在工業(yè)以太網的產品設計，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質安全性等方面均需滿足工業(yè)現場的需要。故在工業(yè)現場控制應用的是與商用以太網不同的工業(yè)以太網。

目前，工業(yè)以太網正被越來越多地應用到工業(yè)控制領域，傳統(tǒng)的現場總線正逐步被淘汰，并升級為工業(yè)以太網。然而，無論使用哪種通訊技術，通訊質量的可靠性都是使用者最關心的，如何確保已部署的工業(yè)以太網系統(tǒng)是安全、可靠的，就是本文要討論的重點內容。

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，進入驗收階段后，如何確認供應商安裝并調試的工業(yè)以太網系統(tǒng)安全、可靠，成了迫在眉睫的問題，急需對工業(yè)以太網的質量檢測技術進行研究，并開發(fā)一套工業(yè)以太網質量檢測標準，作為項目驗收和日常運維的有效手段。

2 檢測技術研究

一個完整的通訊網絡由傳輸介質和網絡組件組成，對于工業(yè)以太網質量的檢測，需要考慮所有組成部分對通訊質量的影響。對于傳輸介質和網絡組件配置的檢查，可以在離線狀態(tài)下完成，而對于網絡的實時通訊情況則必須在網絡在線運行狀態(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、電磁兼容性以及通訊設備參數設置等進行的檢查。

2.1.1介質檢測

工業(yè)以太網通訊傳輸介質主要是工業(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)以太網介質檢測工具，可以得到完整的介質檢測報告，包括長度、傳輸時延、插入損耗、串擾、線序圖等，根據這些指標結果，對比技術標準要求，即可作為項目驗收的依據。圖1是某工業(yè)屏蔽雙絞線（4芯）的部分檢測結果舉例。

圖1 工業(yè)屏蔽雙絞線檢測結果

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)境中的任何設備產生電磁騷擾的能力。因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環(huán)境產生的電磁騷擾不能超過一定的限值；另一方面是指設備對所在環(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)以太網是弱電系統(tǒng)，對其所在環(huán)境產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生通訊問題的情況更為嚴重。因此，對工業(yè)以太網做EMC檢測主要是出于第二方面的考慮。此外，EMC費效比關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果都必須小于一定的數值，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

不同于普通商用網絡，在工業(yè)環(huán)境下使用的工業(yè)以太網根據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絡組件上的具體配置實現，因此配置參數是否正確對網絡運行質量影響巨大。最簡單的半、全雙工配置都有可能因為設備的不支持而導致通訊問題的出現。

對網絡組件配置參數的檢查主要分為功能類和管理類。功能類參數指直接對網絡通訊功能產生影響的參數，如是否環(huán)網冗余、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；管理類參數指為了更好的維護與診斷網絡組件而進行的設置，如系統(tǒng)時間、固件備份、系統(tǒng)日志、網絡拓撲圖、系統(tǒng)資產清單等。由以上配置參數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)已經具備了良好的通訊基礎，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)以太網由普通商用以太網發(fā)展而來，因此，一些反映商用以太網質量的指標也可以用于工業(yè)以太網，只是標準要求更高。如抖動、報文錯誤、碎片封包、數據包丟包、數據包碰撞、網絡負載等，商用以太網可以容忍一定時間內，若干個連續(xù)錯誤，只要不是長時間的斷網，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（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據包，否則系統(tǒng)就會報錯，并影響正常生產。除了這些通用指標之外，還有一些用于工業(yè)以太網的特殊指標，如工業(yè)以太網協(xié)議數據包流量與其他協(xié)議數據包（如視頻流數據）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的數據包，由于這些數據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)生擠占帶寬的現象，從而導致工控數據包無法正常傳輸。圖2是某系統(tǒng)通訊流量統(tǒng)計分析圖，其中，可以發(fā)現ARP報文占比較多，進一步分析后發(fā)現，某設備不斷地向系統(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，導致大量無用報文的產生。

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，說明網絡初建時的隱患已被排除，網絡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，因為網絡設計總是會考慮一定的冗余能力，這是在網絡發(fā)生故障時，確保網絡能夠快速恢復可用狀態(tài)的必要措施。因此還需在系統(tǒng)運行狀態(tài)下對網絡進行冗余性測試，即人為斷開冗余保護范圍內的任意一點，觀察系統(tǒng)自愈時間是否滿足技術標準要求。圖3是某系統(tǒng)冗余性測試舉例，斷開網線后，網絡能夠迅速恢復，自愈時間為30ms，恢復過程中網絡零丟包。

圖3 系統(tǒng)冗余性測試

3 結語

本文討論了當前主流的工業(yè)以太網質量檢測技術、檢測指標及檢測對象，檢測對象包括了傳輸介質和網絡組件，通過實施離線、在線以及冗余性檢測，對可能影響工業(yè)以太網通訊質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)以太網質量評估提供了一種可行且可靠的方法。