网络诊断在烟草集控系统中的设计与应用

蒲 林，熊 健，普冬梅，王惠媚，余 超

PU Lin1 , XIONG Jian1, PU Dong-mei2, WANG Hui-mei2, YU Chao2

（1.贵州中烟工业有限责任公司贵定卷烟厂，贵定 551300；2.云南昆船电子设备有限公司，昆明 650236）

0 引言

工业控制的信息化发展，“工业4.0”、“智能制造”等概念的不断引入，烟草工业已出现信息化方向发展的趋势[1]，MES执行系统、ERP管理系统逐渐渗入到了烟草自动化控制系统中，形成了以网络为基础、以控制为核心，集控制系统与信息化管理系统于一体的网络控制模式。控制系统信息化同时也面临着网络的复杂化，网络的通讯效率越来越重要，如何监视网络的通讯状态成为首要解决的问题。对于一个交换机网络进行故障诊断的最直接的办法，一是通过直接连接交换机的Console口进行交换机信息查询，了解故障发生原因，这种方式不占用交换机的网络资源，但是只能近距离查询；二是使用Telent、Web、SNMP管理工作站对交换机进行远程管理[2]，然而这两种方式都需要对网络中的每台交换机都有物理上的连接，并且需要对交换机有一定的了解，同时直接访问交换往往会带来安全问题。网络诊断系统通过NM通讯机来解决交换机直接访问的安全性问题和分层网络结构的诊断问题。

1 网络诊断系统设计背景

随着烟草集控系统中网络节点的增加，网络也由单个光纤冗余环网发展到管理和控制隔离的双冗余环网，网络的运营效率等问题随之而来。目前对集控系统网络诊断仅局限于通过PLC获取到变频器、子站等Profinet网络中的站点通断状态，对网络中其他节点的网络状态及故障原因没有一个很好的监视和分析作用。网络出现异常时，轻则影响单个控制段的生产，重则影响整个控制系统的运行。通常网络管理员需要花费大量的时间查询故障发源点，才能进一步分析故障原因。为此文章提出了一套网络诊断的解决方案。分析车间常见的网络故障问题，归结如下：

1）网络设备供电系统故障

由于外部供电不稳定、电源线路老化、雷击等原因导致电源损坏或风扇停止，从而不能正常工作。故障表现为面板上的Power指示灯熄灭。

2）网络设备端口故障

端口故障一般分为两种，一种是端口硬件损坏，这种情况可以通过设备上的指示灯来排查，网络管理员需要到故障现场查看；第二种故障是由于广播风暴造成网络传输通道堵塞，表现为通讯反应缓慢、交换机端口状态有时为“up”，有时为“down”。

3）端口流量异常

当车间网络节点遭受病毒攻击，导致产生大量的异常流量并向外发送，这些异常流量会发向车间交换机的业务端口，当流量达到一定程度后会造成交换机端口忙于处理异常流量，没有多余的硬件资源处理正常的业务流量，导致业务使用受到影响[3]，引起网络中断。

2 网络状态诊断方案设计

对整个控制系统而言，网络问题成为影响烟草自动化控制系统稳定性、可靠性的关键因素，网络出现故障后，需要以最短时间、最小代价准确发现和定位故障，快速处理，保障网络安全，提高生产线的运行效率[4]。

在工业控制系统设计中，通常采用双冗余环网、双电源供电等措施，来保证网络的高效性和可靠性；方案设计中提供了一套实时监控系统，监控网络交换机的端口状态、端口流量、子站模块状态，为网络通讯提供简便、直观的诊断依据，及时发现网络设备异常并进行报警，提高网络系统的稳定性和易维护性。

图1 集控系统网络图

以图1为例，整个车间网络为环形管理网、环型控制网与星型子网的混合型结构，各子网与控制网之间只有一条通讯链路；网络结构配置清晰、布线简单。环网承载管理系统和控制系统的所有数据，使用光纤冗余网络、双电源供电，保证网络的高效性和可靠性；子网采用星型网络结构，具备独立的物理链路，最大限度地保留了通讯带宽，满足自控系统的实时性需求。

结合烟草集控系统的实际情况，采用NM通讯机、FM服务器及FameView诊断软件，设计一套网络诊断系统，实现对集控系统生产管理层、集中监控层、设备控制层的网络诊断功能，将生产管理层、集中监控层、设备控制层所有以太网网络节点（包括终端节点、交换机）的网络状态、端口流量等信息集中汇总到网络服务器上，通过图形化界面预警、故障监测，有效地帮助管理人员及时掌握整个网络状况，预防故障，增强网络的风险防范能力。

3 网络站点状态诊断的实现与应用

诊断系统设计采用西门子PLC、ScalanceX交换机、杰控NM通讯机，通过FMTCP、S7TCP、ScalanceX等通讯驱动，实现对不同层面网络设备通讯状态的监视及报警功能。对于控制子网中不能与诊断服务器直接通讯的网络节点，需要通过NM通讯机对子网数据进行采集，再通过FMTCP协议送到诊断服务器（原理如图2所示）；与服务器可以直接通讯的网络节点，服务器直接使用ScalanX、NETSTATUS驱动采集数据（原理如图6所示）。

3.1 子网交换机、子站模块信息的获取

1）硬件配置需求

在每个控制段PLC所在的控制柜中配置1台NM通讯机，通讯机配置双网卡，分别接入段内控制子网及环形管理网（如图1所示），用来得到控制段内所有交换机、终端节点的状态数据及PLC模块和子站模块的状态，从PLC模块和子站获得的信息被写入到控制段PLC的指定DB数据块中，作为控制段内网络数据提供给网络服务器访问。

2）通讯实现原理

NM通讯机通过集成的网络诊断驱动程序ScalanceX，与西门子ScalanceX系列交换机通讯，可实时读取交换机的电源状态、端口状态、端口流量、冗余状态等。NM通讯机通过集成的S7TCP、EtherNet/Logix等驱动程序，与西门子、AB等PLC通讯来获得相应的状态信息。其他品牌的交换机，需要在设备端开放SNMP协议来支持数据通讯。

图2 数据采集流程

S7TCP驱动：采用TCP协议，用于连接西门子PLC的以太网。

ScalanceX驱动：采用SNMP协议，用于监控西门子工业交换机的状态和流量。

SNMP协议：支持网络管理系统，用以监测连接到网络上的设备。

FMTCP驱动：采用TCP协议，用于网络管理服务器和现场数据采集终端NM通讯机的通讯。

FameView：网络诊断监视软件，用于网络状态的可视化显示及组态。

与控制子网连接的 NM通讯机通过设备数据表（如表1所示），获取到控制子网中的PLC、交换机、子站等信息数据，通过FMTCP协议把获取到的数据以设备数据表（如表2所示）的方式对应送到服务器上。

表1 NM通讯机设备数据表

表2 服务器设备数据表

3）数据的展现形式

通过网络驱动FMTCP读取到NM通讯机数据表的每个设备号中所定义设备的信息，利用简洁、直观的界面展示出来，网络管理人员可以通过查看端口信息得到交换机各端口的通讯状态；根据监视端口收发流量值的周期性检测结果，判断端口是否有异常处理数据包，从而判断端口的稳定性。还可以监视交换机自身的故障状态、电源状态、冗余管理状态等（如图3所示），如果交换机配置了冗余电源，当某路电源出现故障时，不会影响整个网络的状态，但是通过监视，可以及时发现异常，尽早处理异常。

图3 交换机数据

报警信息是网络诊断的重要组成部分，（图4(a)所示）实时报警主要显示最近产生的报警及报警恢复情况；（图4(b)所示）历史报警主要是归档记录一段时间段内所有网络报警信息，以备故障查看分析及历史故障追溯，同时可根据选择的时间段或区域查看报警信息。

图4 报警记录查询

3.2 管理环网交换机及站点信息的获取

NETSTATUS：以太网驱动，得到局域网段中所有设备的状态。

管理环网中的通讯节点，和网络诊断服务器在同一个网络中，不需要单独配置NM通讯机采集设备端的数据，直接通过FameView服务器上的数据表（如表3所示），获取网络设备的状态。管理环网中的通讯站点（包括各控制段的NM通讯机），可以直接通过NetStatus驱动获得本网段中所有设备的状态，也可以直接和网段内的交换机进行通讯，获取网络状态信息，网络状态信息显示（如图5(b)所示）。

表3 服务器直接访问的设备数据表

图5 数据采集流程及通讯状态显示

3.3 网络状态诊断的拓展应用

目前烟草行业集中监控系统通常使用西门子公司的WinCC或GE公司的iFix进行组态，为了整合多种监控界面，第三方软件可以利用OPC获取FameView的数据，不需要配置DCOM端口。再通过可视化界面的方式展现所取得的数据。

网络诊断监控系统也可以通过OPCUA或OPCDA的方式获取其他OPC服务器的数据；支持ActiveX控件嵌入使用；诊断系统的界面可以通过Web发布。

4 结语

针对烟草集控系统中网络节点的增加，网络结构复杂化导致网络安全得不到保障的问题，提出了可视化网络诊断的方法，从对交换机端口流量、端口状态、子站模块状态及网络节点通讯状态监测出发，通过可视化界面的方式和报警查询方式，实现简便、快速、精准地诊断大多数以太网为核心的工业自动化设备故障，可以节省大量人力物力[5]，帮助管理人员及时掌握网络状况，增强网络的风险防范能力，为网络故障追溯提供信息查询支持，为烟草集控系统网络安全性、稳定性提供更好的保障。