工業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）

工業以太網是應用于工業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現場的需要。故在工業現場控制應用的是與商用以太網不同的工業以太網。

目前，工業以太網正被越來越多地應用到工業控制領域，傳統的現場總線正逐步被淘汰，并升級為工業以太網。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以太網系統是安全、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使用了工業以太網，進入驗收階段后，如何確認供應商安裝并調試的工業以太網系統安全、可靠，成了迫在眉睫的問題，急需對工業以太網的質量檢測技術進行研究，并開發一套工業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

離線檢測是在系統未投入運行的狀態下，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

工業以太網通訊傳輸介質主要是工業屏蔽雙絞線（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是某工業屏蔽雙絞線（4芯）的部分檢測結果舉例。

圖1 工業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）是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行并不對其環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。由于工業以太網是弱電系統，對其所在環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。

對于工業以太網系統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路電阻，前者使用微安級漏電流鉗表，后者使用接地環路電阻測試鉗表。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，在工業環境下使用的工業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，如是否環網冗余、系統間是否路由通訊、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，如系統時間、固件備份、系統日志、網絡拓撲圖、系統資產清單等。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，說明系統已經具備了良好的通訊基礎，但是，系統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指標進行檢測才能夠得到確認。此外，如果系統設計了冗余功能，也需要在正常運行狀態下進行模擬測試，以確保其正常可用。

2.2.1 運行狀態檢測

工業以太網由普通商用以太網發展而來，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，若干個連續錯誤，只要不是長時間的斷網，都可以通過重新發起請求來解決。但是工業環境絕不容許這樣的情況發生，在給定的監視時間內（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，還有一些用于工業以太網的特殊指標，如工業以太網協議數據包流量與其他協議數據包（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議，不受控的重傳可能會發生擠占帶寬的現象，從而導致工控數據包無法正常傳輸。圖2是某系統通訊流量統計分析圖，其中，可以發現ARP報文占比較多，進一步分析后發現，某設備不斷地向系統中不存在的IP地址發送請求報文，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，這是在網絡發生故障時，確保網絡能夠快速恢復可用狀態的必要措施。因此還需在系統運行狀態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，觀察系統自愈時間是否滿足技術標準要求。圖3是某系統冗余性測試舉例，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 系統冗余性測試

3 結語

本文討論了當前主流的工業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，為工業以太網質量評估提供了一種可行且可靠的方法。