关键词：工业以太网；网络故障；智能诊断
1 研究背景
profinet是一种适用于自动化行业的开放式以太网标准，其中profinet io已成为国家标准，其可靠性得到官方认可。由于其具有良好的实时性，优秀的抗干扰能力，以及强大的诊断功能等众多突出优点，profinet总线的应用范围越来越广泛，在控制系统中的控制份额也越来越大。尽管profinet协议拥有众多优点，但是随着使用时间的增加，对于任何一个网络，通信问题都势必日渐凸显。一方面现场维护不到位、安装不规范等情况使得profinet总线故障，例如掉线、闪断、设备故障等等在应用过程中愈加频发，另一方面传统的检测手段已经不能满足当前数字化系统的维护需求。
烟草行业制丝车间生产以流水线生产为主，网络故障势必造成生产停机，对车间生产造成严重影响：一是故障造成的设备停机导致制丝生产中断，影响烟丝烟片工艺质量；二是排查故障时间较长，造成生产工时延长，增加人工劳动时间和车间能源消耗；三是无法开展预防性维修，增加车间维修费用。因此，开发一种网络通讯智能诊断系统，对通信状态进行长期全面的监控，随时掌握网络运行过程中的所有数据，对于生产线的总线通信维护以及故障排除来说尤为重要。
2 问题分析
通过认真研究发现，造成制丝车间集控系统网络故障频发的原因主要有以下几个方面：
一是线路故障：常见现象有电磁干扰端口，接头松动，端口配置，总线硬件性能下降等；
二是交换机、路由器故障：随着制丝线使用年限的增加，设备元件老化，网络通讯质量大不如从前，CPU负荷增加，参数配置错误等；
三是控制器、PC机故障：常见现象有端口配置错误，IP地址配置错误，应用服务配置错误，防火墙配置错误等；
四是通讯网络架构：由于现场总线管理不到位，各网段缺少网络拓扑图或网络拓扑图未能及时更新，故障发生时很难快速确定排查方向；
五是通讯时出现丢包、错误的数据帧及报文时，传统的检测手段不容易查找和处理。
以太网通讯故障区别于工业生产中传统的设备故障，在实际的生产线应用中经常出现网络闪断、数据堵塞、掉包、丢失数据等故障，出现此类故障时不容易查找和处理，经常会影响生产线的正常运行。且由于无法进行预测性的维护，许多网络组件和设备都是等故障发生后才能进行处理。
3 工业以太网通讯智能诊断系统开发与应用
工业生产的管理网络以三个层级实现由底层到集成的网络管理模式。其底层为各PLC，用于监控各水分仪、子站、变频器等现场设备、仪器仪表，中间层为汇聚多个PLC信息的主干网交换机形成的千兆光纤星型网，最顶层为主干网核心交换机，其协作运行，是保证制丝生产线生产的基础所在。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
为了量化对网络的监控，在工业生产管理网最顶层，即主干网核心交换机处配置增加网络状态监控侦听模块，该模块有两个以太网端口，其中factory端口接入所在子网的现场层交换机（SCALANCE X208），office端口接入所在子网的主干网交换机（SCALANCE X204）将该模块接入主干网交换机后，可通过控制柜上的触摸屏对该模块的检测数据进行在线访问，从而实现自上向下的的网络状态实时监控和历史状态查询。然后对电控系统的网络配置进行重新的优化配置和改进，实现网络配置能够适应工业以太网通讯自动智能诊断系统。
依托网络状态监控侦听模块监控软件进行功能的开发和融合，开发出贴合实际生产状况的工业以太网通讯自动智能诊断系统，以实现对监控网络的通讯进行实时监控及诊断，及时预测网络故障的发生时间和发生点。该工业以太网通讯自动智能诊断系统可实现以下四大功能：
一是网络拓扑图功能。拓扑是一个完整网络的图形和分层显示，通过网络拓扑图可以非常快速直观的查看网络中各设备之间的连接。实际生产过程中由于以太网管理不到位，网络中设备更换或改造后，没能及时更新网络的拓扑图，给后期使用造成麻烦。本次开发的工业以太网通讯自动智能诊断系统能够自动识别设备名称、IP地址、在/离线状态等常规信息，并给出设备之间连接关系（拓扑图），并实时更新，为网络故障发生时网络故障的快速确定指定方向。
二是工业以太网故障诊断功能。该系统的网络状态监控侦听模块通过交换机与所监控网络进行并行连接，可以监控网络中各个子站、交换机、智能仪表等设备，同时主动监控网络内部的数据流量，并将所监控的各类设备状态、流量信息集成在HMI监控画面上。当网络中出现网络故障时，该系统可以自动、精确地定位工业以太网故障源，并分析、提示造成工业以太网异常最可能的原因，车间网络管理人员可以根据HMI监控画面上它所的提示信息，有针对性地快速解决网络中出现的故障，避免因网络故障给生产带来长时间的影响和停机，以提升工业以太网性能的稳定性。
三是网络通讯质量评价功能。该工业以太网通讯自动智能诊断系统可以自动检测到所监控网络中的各个设备，并读取各设备的设备名称、IP地址、MAC地址、设备状态等信息，以及以太网络中个输入/输出端口最后、最小和最大端口负载（使用链路速度来计算各端口的负载状态）。系统通过检测到的设备状态和链路状态对当前网络的通讯质量进行量化，用Q因子表示当前网络质量的评价得分（0-100分），并使用颜色编码来显示当前网络的状况，当Q因子为绿色时，表示当前网络状态为优秀或者良好，当Q因子为黄色时，表示当前网络状况为欠佳当不严重，当Q因子为红色时，表示当前网络为糟糕，迫切需要进行相关处理。该系统不仅能够给出整个网络的Q因子，同时也能够给出单个网络设备、或单项网络通讯质量指标的Q因子，以便进行单项评价和分析。
四是统计报表功能。统计报表功能在整个智能诊断系统中具有重要作用，它可以使工业以太网诊断分析的效能达到最优化，智能诊断系统会自动将专家系统分析后的数据整理成电子报表。网络管理者从系统中可以查看这些信息，对如工业以太网的异常、工网络性能等信息进行记录，存储在本地数据库中。数据库中的数据能够导出到EXCEL等表格中，制成简单易懂的报表。
结束语
该系统基于PROFINET构成在线智能故障诊断系统，具有可靠性高，系统结可扩展性强等特点。根据不同的客户需求和使用情况，可灵活扩展为多种不同的模式。整个系统集成度高，能满足工业控制系统分散化、网络化、智能化的要求，可极大地提高工业控制现场的自动化水平。该系统具有较强的扩容性，可提高企业柔性制造能力。
参考文献
[1]程澜, 罗建,张鹰. 智能化工业以太网故障诊断体系研究[J]. 航空计算技术, 2012,4.
[2]杨世凤, 章对磊, 杨烨, 等. 裁断机实时监控与故障诊断专家系统[J]. 自动化与仪表, 2014, 11.
[3]杜品圣, 张龙. 工业以太网和工业实时以太网的安装,调试和诊断技术（二）[J]. 自动化博览, 2007, 2.
[4]苏丽华, 王敏. 基于工业以太网的煤矿安全智能巡检系统的设计[J]. 煤矿安全, 2010,3.
作者简介：刘志辉、男、许昌卷烟厂、技术员。桂鹏、男、许昌卷烟厂、技术员。高俊峰、男、许昌卷烟厂、技术员。
论文作者:刘志辉,桂鹏,高俊峰
论文发表刊物:《科学与技术》2019年17期
论文发表时间:2020/1/15
标签：以太网论文; 网络论文; 系统论文; 工业论文; 故障论文; 设备论文; 智能论文; 《科学与技术》2019年17期论文;