工廠電氣自動(dòng)化控制以太網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)模式與故障排除研究

王金鵬

[摘? ? 要] 簡(jiǎn)單介紹了工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的以太網(wǎng)傳輸規(guī)則，分析了基于以太網(wǎng)技術(shù)的工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)模式，并對(duì)基于以太網(wǎng)技術(shù)的工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的故障表現(xiàn)、排除對(duì)策進(jìn)行了進(jìn)一步探究，以使工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能平穩(wěn)、安全發(fā)揮。

[關(guān)鍵詞]工廠電氣自動(dòng)化;以太網(wǎng)技術(shù);故障排除

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）02–00–03

Research on System Mode and Troubleshooting of Factory

Electrical Automation Control Ethernet Technology

Wang Jin-peng

[Abstract]Ethernet technology has gradually become the preferred technology for industrial electrical automation control systems due to its high communication rate， low cost， rich software and hardware resources， and wide application range. Therefore， this paper briefly introduces the Ethernet transmission rules in the factory electrical automation control system， analyzes the factory electrical automation control system mode based on Ethernet technology， and makes a discussion on the fault performance and elimination countermeasures of the factory electrical automation control system based on Ethernet technology. In order to further explore， we hope to provide reference for the smooth and safe play of the functions of the factory electrical automation control system.

[Keywords]factory electrical automation; ethernet technology; troubleshooting

在工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展進(jìn)程中，工廠控制系統(tǒng)所需傳輸?shù)男畔⒘咳找孢f增，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息類型日趨復(fù)雜，對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的互聯(lián)性、開(kāi)放性、速率、帶寬均提出了更高的要求。以往工廠電氣自動(dòng)化控制技術(shù)為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，存在標(biāo)準(zhǔn)繁多、通信速率低等問(wèn)題，無(wú)法滿足工程控制系統(tǒng)對(duì)信息傳輸?shù)囊蟆Ｒ虼?，研究工廠電氣自動(dòng)化控制以太網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)模式具有非常重要的意義。

1 工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中以太網(wǎng)技術(shù)傳輸規(guī)則

1.1 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與數(shù)據(jù)對(duì)象一致

工業(yè)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的以太網(wǎng)主要為用戶提供3種主要服務(wù)，即控制、配置、采集?？刂浦饕糜谕瓿煽刂圃O(shè)備、輸入輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換，需要嚴(yán)格遵循實(shí)時(shí)性要求;配置則是便于利用個(gè)人計(jì)算機(jī)及類似設(shè)備對(duì)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的設(shè)備進(jìn)行編程、配置，如批量處理配方等;采集則是根據(jù)人機(jī)界面顯示、故障處理、趨勢(shì)圖繪制需求進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行中各種數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集。在上述網(wǎng)絡(luò)服務(wù)開(kāi)展過(guò)程中，需要確保網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、數(shù)據(jù)對(duì)象一致性，方可滿足網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)交換、共享需求。

1.2 基帶傳輸信號(hào)基本穩(wěn)定

在工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，以太網(wǎng)技術(shù)主要依賴基帶傳輸實(shí)現(xiàn)，基帶特指原始信號(hào)占據(jù)的基本頻帶。以太網(wǎng)信號(hào)本質(zhì)上為基帶信號(hào)，即高電平、低電平持續(xù)交替變換的信號(hào)。在基帶傳輸時(shí)，可以促使1個(gè)基帶信號(hào)占用傳輸介質(zhì)的全部信道，實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)直接在信道中傳輸。因基帶傳輸信道頻帶寬度較大，且其近距離傳輸范圍內(nèi)信號(hào)衰減處于較小的數(shù)值，100 m內(nèi)基帶信號(hào)內(nèi)容處于基本穩(wěn)定水平，不僅降低了調(diào)制解調(diào)設(shè)備配置成本，而且可以保證速率、誤碼率與標(biāo)準(zhǔn)要求相符。同時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)在傳輸時(shí)可以直接完成信號(hào)編碼，將信號(hào)頻率控制在極低的水平，帶動(dòng)信號(hào)傳輸對(duì)線路帶寬要求下降。比如，經(jīng)過(guò)編碼功率譜操作，100BASE-TX、1000BASE-T可以降低至31.25 MHz，在滿足基帶信號(hào)傳輸速率要求的同時(shí)，降低信號(hào)頻率。

2 基于以太網(wǎng)技術(shù)的工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)模式

2.1 自協(xié)商

自協(xié)商模式是基于以太網(wǎng)技術(shù)的工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要技術(shù)，其是一種與鏈路脈沖信號(hào)密度緊密相關(guān)的模式。自協(xié)商模式本質(zhì)上是經(jīng)特定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將個(gè)體支持工作模式信息向網(wǎng)絡(luò)接收端發(fā)送，并接收對(duì)端發(fā)送的信息，滿足雙工模式下10 M/100 M/1000 M速率自協(xié)商需求。自協(xié)商模式不需專用數(shù)據(jù)包，可以完全以物理層的芯片為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，更高層協(xié)議額外消耗處于較低的水平。同時(shí)自協(xié)商模式允許設(shè)備雙方利用“協(xié)商討論”的方式達(dá)成可行的最高傳輸頻率，進(jìn)而利用FLP（快速鏈路脈沖）信號(hào)交換設(shè)備雙方傳輸能力，作為接收一端可以了解作為發(fā)送一端的傳輸能力，為設(shè)備雙方從高級(jí)到低級(jí)協(xié)商探尋雙方共有最佳方式提供依據(jù)。雙方優(yōu)先級(jí)別如圖1所示。

在依據(jù)圖1由高級(jí)到低級(jí)進(jìn)行自協(xié)商時(shí)：

①鏈路兩端設(shè)備開(kāi)展自協(xié)商，鏈路中每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上電并發(fā)出管理命令。若存在用戶干預(yù)，則由用戶端發(fā)出快速鏈路脈沖協(xié)商信息。

②從快速鏈路脈沖協(xié)商信息封裝序列中提取時(shí)鐘/數(shù)字序列，了解端設(shè)備支持的工作模式，可用于協(xié)商連接機(jī)制的相關(guān)信息。

③引入Parallel Detection（并行檢測(cè)）機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)端不可支持自協(xié)商情況下的連接。即基于具有自協(xié)商功能的設(shè)備端口，在無(wú)法接收快速鏈路脈沖信號(hào)的情況下檢測(cè)是否存在10 M鏈路特征信號(hào)、100 M鏈路特征信號(hào)。若檢測(cè)到NLP（自然語(yǔ)言處理）信號(hào)，則判定對(duì)端支持10 M速率;若檢測(cè)到4B編碼的Idle波形或5B編碼的Idle波形，則判定對(duì)端支持100 M速率。

2.2 案例

以某精細(xì)化工廠電氣自動(dòng)化控制為例，該精細(xì)化工廠工藝操作流程為：抽真空→氮?dú)庵脫Q→進(jìn)原料→開(kāi)啟攪拌→混合→反應(yīng)→靜置→分層→成品轉(zhuǎn)移。在精細(xì)化工廠未使用電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)前，抽真空、氮?dú)庵脫Q、進(jìn)原料、開(kāi)啟攪拌、混合等環(huán)節(jié)一一對(duì)立，雖可完成固定化工品的大批量制造，但無(wú)法滿足新型化工品開(kāi)發(fā)投產(chǎn)需求。同時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)“抽真空”“混合”等環(huán)節(jié)控制屏人機(jī)界面功能不夠多樣，一旦控制屏出現(xiàn)故障，就會(huì)影響對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)生產(chǎn)效率，甚至干擾整條制造線運(yùn)行。因此，根據(jù)精細(xì)化工廠主要生產(chǎn)流程長(zhǎng)、全生命周期工序繁雜、設(shè)備類型多樣的特點(diǎn)，可以在“抽真空”“進(jìn)原料”“混合”“成品轉(zhuǎn)移”工藝段引入PLC（可編程邏輯控制器）進(jìn)行電氣自動(dòng)化改造。

從控制體系來(lái)看，基于以太網(wǎng)技術(shù)的工廠電氣自動(dòng)化控制包括管理層、現(xiàn)場(chǎng)層、控制層多個(gè)層級(jí)，可以經(jīng)Real Time Ethernet（實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)）聯(lián)接企業(yè)內(nèi)全部設(shè)備，破除信息流傳輸阻礙。即在TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）、IT（互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，將工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線無(wú)縫集成，發(fā)掘各自實(shí)時(shí)性 、便捷性、經(jīng)濟(jì)性、通用性、多速率優(yōu)勢(shì)，滿足信息交互要求。其中以太網(wǎng)系統(tǒng)主要運(yùn)行設(shè)備為交換機(jī)、路由器，100BASE-TX、10BASE-T、1000BASE-T的電接口線纜均為CAT-5 UTP非屏蔽雙絞線，與T568B標(biāo)準(zhǔn)相符，線纜連接口為RJ45標(biāo)準(zhǔn)電介接口，10BASE-T、100BASE-TX線纜線對(duì)定義為：“1，2”線對(duì)對(duì)應(yīng)TD+、TD-差分線，負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，而“3，6”線對(duì)對(duì)應(yīng)RD+、RD-線對(duì)，負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù);1000BASE-T線纜線對(duì)定義為全部4對(duì)線對(duì)（BI_DA±、BI_DB ±、BI_DD ±、BI_DC ±）同時(shí)接收、發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 基于以太網(wǎng)技術(shù)的工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)故障表現(xiàn)

3.1 物理層故障

在以太網(wǎng)日常運(yùn)行過(guò)程中，物理層故障出現(xiàn)頻率較高，常見(jiàn)的為線纜故障、端口故障、NIC網(wǎng)卡故障、接收發(fā)送器故障等。具體表現(xiàn)為：超時(shí)傳輸、沖突、幀對(duì)齊差錯(cuò)、幀長(zhǎng)度錯(cuò)誤、噪聲差錯(cuò)、線纜錯(cuò)誤等，網(wǎng)絡(luò)層故障無(wú)法被PLC診斷，對(duì)整個(gè)工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)正常發(fā)揮功能造成了較大的不利影響。

3.2 數(shù)據(jù)鏈路層故障

數(shù)據(jù)鏈路層是以太網(wǎng)技術(shù)正常應(yīng)用的關(guān)鍵，其包括邏輯鏈路控制、媒介訪問(wèn)控制兩個(gè)子模塊。其中媒介訪問(wèn)控制子模塊直接與物理層數(shù)據(jù)傳輸連接，一旦物理層發(fā)生故障，就會(huì)間接導(dǎo)致媒介訪問(wèn)控制子模塊發(fā)生故障，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)鏈路層功能的正常發(fā)揮。自協(xié)商模式故障主要表現(xiàn)為鏈路兩端設(shè)備自協(xié)商不成功的故障，且半雙工端口無(wú)法同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，造就數(shù)據(jù)傳輸速率不正常。比如，自協(xié)商模式故障，一端全雙工，另一端半雙工，在網(wǎng)絡(luò)流量提升到15%時(shí)鏈路中涌現(xiàn)大量錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包、沖突。

3.3 網(wǎng)絡(luò)層故障

工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)所用數(shù)據(jù)傳輸模式為競(jìng)爭(zhēng)模式，在數(shù)據(jù)通訊量處于較大水平時(shí)，極易引發(fā)網(wǎng)絡(luò)阻塞，限制工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制功能的發(fā)揮。加之原電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中變頻器組、子站均經(jīng)過(guò)內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)卡通訊，而在工業(yè)以太網(wǎng)“呼叫—應(yīng)答”機(jī)制下，一旦單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通訊受阻，將持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包尋找應(yīng)答，最終對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)層造成干擾。

4 基于以太網(wǎng)技術(shù)的工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)故障排除對(duì)策

4.1 物理層故障排除

針對(duì)物理層故障，可以根據(jù)故障表現(xiàn)，進(jìn)行逐一排除。比如，對(duì)于沖突故障，可以在檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)工作模式的基礎(chǔ)上，將網(wǎng)絡(luò)工作調(diào)整為全雙工模式;針對(duì)噪聲故障，可以將噪聲干擾源遠(yuǎn)離線纜;針對(duì)異常幀故障，可以替換以太網(wǎng)設(shè)備接口;針對(duì)線纜故障，可以根據(jù)線纜故障類型，針對(duì)性解決。一般在線纜線對(duì)共模信號(hào)顯示為正常值的200%或50%，且差分信號(hào)為正常值的50%或0時(shí)，線路線序錯(cuò)誤，需要重新梳理連接;而在線纜線對(duì)共模信號(hào)超出200 mV且差分信號(hào)為正常值的200%時(shí)，為短路故障，需要切斷電源，修復(fù)絕緣。

4.2 數(shù)據(jù)鏈路層故障排除

在工業(yè)以太網(wǎng)Profinet模式下，PLC支持MPI、PPI、自由通信協(xié)議等諸多協(xié)議，CPU226、CPU224XP對(duì)應(yīng)的2個(gè)通訊口均具有獨(dú)特的參數(shù)。雖然PLC具有自診斷功能，可以簡(jiǎn)單判定軟件程序故障、硬件故障類型，并通過(guò)故障指示燈知識(shí)模塊功能錯(cuò)誤登記。比如，針對(duì)自協(xié)商模式故障，可以在保證鏈路兩端設(shè)備一定的情況下，根據(jù)鏈路不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)頻繁檢測(cè)鏈路脈沖信號(hào)、鏈路傳輸數(shù)據(jù)時(shí)吞吐量極低的信號(hào)特征表現(xiàn)，利用PLC模式檢測(cè)。確定故障后，將鏈路兩端設(shè)定為同一型工作模式，如全雙工，排除故障。

4.3 網(wǎng)絡(luò)層故障排除

針對(duì)上述網(wǎng)絡(luò)側(cè)故障表現(xiàn)，維修人員可以在原有CPU（中央處理器）數(shù)量一定的情況下，增設(shè)1塊CPU控制設(shè)備，并利用光纖代替以太網(wǎng)與CPU通訊，其他CPU則具有單獨(dú)的以太網(wǎng)網(wǎng)卡，各網(wǎng)卡之間不聯(lián)系，僅與對(duì)應(yīng)的CPU進(jìn)行信息交互。通過(guò)將子站、變頻器等通訊節(jié)點(diǎn)依據(jù)CPU劃分為若干部分并獨(dú)立接入交換機(jī)，可以在連接節(jié)點(diǎn)不變的情況下擴(kuò)充通訊通道，降低通道堵塞風(fēng)險(xiǎn)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，針對(duì)常規(guī)“一網(wǎng)到底”思路下全部利用以太網(wǎng)布置信息層、現(xiàn)場(chǎng)控制層導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)傳輸距離限制，維修者可以摒棄常規(guī)通用屏蔽雙絞線，根據(jù)工業(yè)交換機(jī)對(duì)線間電容、內(nèi)阻匹配要求，引入支持TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）協(xié)議的Profinet 4芯雙屏蔽網(wǎng)線，利用其自帶的快速連接接頭，提高網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力。在這個(gè)基礎(chǔ)上，將1個(gè)濾波交換機(jī)增設(shè)到每一個(gè)子站中，發(fā)揮交換機(jī)過(guò)濾雜波、減少?zèng)_突域的功能，屏蔽環(huán)境雜波干擾。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于以太網(wǎng)技術(shù)的工廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成了現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)強(qiáng)大的功能，可以保證自動(dòng)化解決方案的順利實(shí)現(xiàn)。而基于以太網(wǎng)技術(shù)的工廠電氣自動(dòng)化控制過(guò)程中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層故障出現(xiàn)概率較高，對(duì)系統(tǒng)功能發(fā)揮造成了較大的不利影響。因此，應(yīng)根據(jù)以太網(wǎng)技術(shù)傳輸規(guī)則，深究各故障原因，逐一解決，保證柔性化工廠電氣自動(dòng)化控制的順利實(shí)現(xiàn)。

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