2022工业现场通信质量检测通用技术规范

工业现场通信质量检测通用技术规范PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANII目 次前 言 3范围 4规范性引用文件 4术语和定义 4缩略语 5工业通信网络概述 6概述 6工业通信协议层次结构 6常用现场总线物理层特性 6通信质量关键指标 7概述 7物理层质量指标 7数据链路层质量指标 8应用层质量指标 9通信质量影响因素 9概述 9设备故障因素 9物理介质因素 9安装不规范因素 9电磁干扰因素 10组态配置因素 10互操作不兼容因素 11通信典型故障 11概述 11物理层典型故障 11数据链路层典型故障 12应用层典型异常 13通信质量检测 13检测方法 13检测及诊断流程 14附录A典型工业通信网络 15A.1网络类型 15附录BPROFIBUS通信网络通信质量检测（资料性） 17PROFIBUSDP物理层检测 17PROFIBUSPA物理层检测 19PROFIBUS数据链路层检测 21参考文献 23PAGEPAGE10工业现场通信质量检测通用技术规范范围本文件适用于工业现场通信质量检测、故障诊断和故障排除。规范性引用文件（包括所有的修改单适用于本文件。GB/T9387.11部分:基本模型GB/T38869OPCUA的数字化车间互联网络架构IEC61158工业通信网络现场总线规范（所有部分）术语和定义下列术语和定义适用于本文件。工业通信设备industrialcommunicationdevice按特定工业通信协议开发的具有工业通信能力的控制设备、现场设备和网络设备等。注1：本标准的设备均指工业通信设备。注2：控制设备包括PLC、DCS、IPC等可编程控制设备和SCADA、HMI等监控设备，现场设备包括传感器、变送器、执行机构、远程IO设备等，网络设备包括网关等。通信质量communicationquality网络通信在满足用户对通信需求方面所具有效用的优劣程度总线供电buspowered一根线缆上同时提供通信和设备供电。注：流程工业一般要求总线供电。循环通信cycliccommunication设备之间周期性交换数据包的过程。注：可用于可编程控制设备与现场设备之间按预先组态配置周期性交换输入/输出数据。非循环通信acycliccommunication设备之间非周期性交换数据包的过程。注：可用于可编程控制设备、监控设备对现场设备进行参数设置、数据获取等读写访问。循环数据cyclicdata设备之间周期性交换的数据。注：指可编程控制设备与现场设备之间周期性交换的输入或输出数据，与物理过程相关所以也被称为过程数据。循环时间cycletime一个通信周期的持续时间。通信宏周期communicationmacrocycle网段上所有已组态设备完成一次循环通信所需的基本周期的集合。注：为网段上已组态设备循环周期的最小公倍数。缩略语CP：通信行规（CommunicationProfile）CPF：通信行规族（CommunicationProfileFamilies）DCS：分布式控制系统（DistributedControlSystem）DP：分布式外设（DecentralizedPeriphery）FF：基金会现场总线（FoundationFieldbus）FSK：频移键控（FrequencyShiftKeying）HMI：人机接口（HumanMachineInterface）IPC：工业计算机（IndustrialPersonalComputer）IO：输入输出（InputandOutput）NRZ：不归零（Non-Return-to-Zero）NRZI：反向不归零（non-return-to-zero-inverted）OFDM：正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)OSI：开放系统互连（OpenSystemInterconnection）PA：过程自动化（ProcessAutomation）PLC：可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）SCADA：数据采集与监视控制系统（SupervisoryControlAndDataAcquisition）工业通信网络概述概述工业现场使用的工业通信网络范围一般覆盖GB/T38869（或工业以太网是基于ISO/IEC/IEEE8802-3且支持确定性实时通信的通信系统。附录A列出了IEC61158和IEC61784规定的工业通信网络类型和通信行规。工业通信协议层次结构工业通信协议分层结构应符合GB/T9387.1规定的OSI表1OSI和工业通信协议结构OSI层次功能工业通信网络层次7应用层将协议栈上的需求转换为较低层可理解的形式，反之亦然应用层↑↑6表示层将数据转换为标准网络格式或从标准网络格式转换数据5会话层创建和管理较低层之间的对话4传输层提供跨网络端到端传输的透明可靠的数据传输（可能包括多个链路）↓或↑↓或↑数据链路层3网络层执行报文路由2数据链路层执行链路上点到点传输，提供对通信介质的访问控制、错误检测等1物理层以适合通信介质的格式对传输/接收信号进行编码/解码。物理层注：↑和↓指示该层功能（如存在）包括在沿箭头方向最近的现场总线层中。因此，网络层和传输层功能可能包括在数据链路层或应用层中，会话层和表示层功能可能包括在应用层中，但不包括在数据链路层中。常用现场总线物理层特性常用的现场总线物理信号及传输介质特性如表2所示。实时以太网物理信号及传输介质特性应符合ISO/IEC/IEEE8802-3的规定。表2常用现场总线物理层介质和特性类型介质类型接口方式通信与编码方式传输速率FFH1WorldFIP双绞线端子，M连接器半双工通信，曼切斯特编码（本安或非本安电压模式（并联耦合）31.25kBit/sControlNet/DeviceNetControlNet：同轴电缆，光纤BNCTNCNAP半双工通信，曼切斯特编码5MBit/sDeviceNet：双绞线端子，M连接器半双工通信，不归零(NRZ)编码500kBit/sCAN双绞线端子，M连接器半双工通信，不归零(NRZ)编码5kBit/s~1MBit/sPROFIBUS双绞线DP：RS-485DP：半双工通信，不归零DP：最大12MBit/s(NRZ)编码双绞线PA：半双工通信，曼切斯特编码总线供电（本安或非本安（并联耦合PA：31.25kBit/sINTERBUS双绞线RS-485全双工通信，不归零(NRZ)编码最大16MBit/sCC-LINK3合电缆RS-485非总线供电，不归零(NRZ)编码最大10MBit/s4扁平或圆形电缆RS-485总线供电，不归零(NRZ)编码最大2.5MBit/sHART屏蔽双绞铜线端子上叠加高频电流信号1200Bit/sMACHATROLINK基本介质：双绞线RS-485半双工通信，曼切斯特编码最大10MBit/s供电介质：总线供电RS-485半双工通信，曼切斯特编码或反向不归零（NRZI）编码最大32MBit/sAUTBUS双绞线，同轴电缆TNC连接器，端子全双工通信，正交频分复用（OFDM）编码最大100MBit/s通信质量关键指标概述工业现场通信质量是指安装在工业现场环境中的工业通信网络，关于数据传输的时效性、准确性、38868要求。工业通信设备在工业现场中运行时，应满足通信质量关键指标要求。按照表1所示工业通信网络协议分层结构，工业现场通信质量关键指标应包括物理层质量指标、数据链路层质量指标和应用层质量指标。网络通信在满足用户对通信需求方面所具有效用的优劣程度物理层质量指标/接收的信号进行编码/工业通信网络物理信号的波形主要包括矩形波/方波、正弦波等，数据编码类型主要包括归零、不归零、曼切斯特、差分曼切斯特编码等。波形特性指标，应为与信号波形形状相关的指标，主要包括：信号幅值（signalamplitude）信号对称性（signalsymmetry）：仅针对双向波形（即波形具有零线或中心线），正/高幅值与负/低幅值之间的绝对值的差；过冲（overshoot）：信号跳变后的第一个峰值电压或谷值电压超过设定标准电压的差值；运行电压（operatingvoltage）：设备的工作电压；上升时间（risetime）：从波形的10%处上升到波形的90%处所需的时间；下降时间（falltime）：从波形的90%处下降到10%所需的时间；b）时间特性指标，应为与比特率（bitrate）相关的指标，主要包括：比特持续时间（bitduration）或比特间隔（bitinterval）：比特流中，两个连续信号上的对应点（表示1比特）之间的时间间隔；比特持续时间偏移（deviationfrombitduration）：比特持续时间的最大偏差。注：0%有效功率是低电平状态功率电平。100%有效功率是高电平状态功率电平。图1典型现场总线波形及关键指标示例数据链路层质量指标工业通信网络的数据链路层质量指标可区分为性能指标和功能指标。性能指标宜包括下列指标：a）可靠性，应为数据包通过网络传输在可接受延时内完整到达最终目的地的能力，宜包括下列指标：丢包率（packetlossrate）：一定时间（1s）内或一定吞吐量范围发送数据包，丢失数据包数量占总发送数据包的比率；（1s）时效性，应为数据包在网络上的传输时间是可预测或具有最大限值的能力，宜包括下列指标：端到端传输时延(end-to-endtransmissiondelay)：数据包从链路上一端传送到另一端的时间；注：端到端传输时延为一个带数据或报文负载的APDU从源节点实时传送到目的节点的时间，又被称为传递时间（deliverytime）。传输时延抖动（transmissiondelayjitter）：数据包在相同链路上传输最大时延与最小时延的差值；时间同步精度（timesynchronizationaccuracy）：任意两个设备时钟之间的最大偏差，仅针对支持时钟同步机制/协议的工业通信协议；非基于时间同步精度：任意两个设备之间循环通信等周期性行为的最大偏差，周期性行为通过网络上周期性事件来触发。在线设备列表：显示所有已接入网络的现场设备、可编程控制设备、监控设备的列表；注1：当出现7.6所列的组态配置因素时，将导致现场设备无法进入循环通信状态。循环时间：按组态配置，现场设备与可编程控制设备等设备之间进行周期性数据交换的时间间隔。注2：工业通信网络中，一般由数据链路层负责循环通信时间调度。应用层质量指标内容正确与否，主要指标包括：循环数据长度：按照组态配置，设备之间交换的循环数据的长度；注：工业通信网络中，非循环通信一般由应用层发起并为用户提供服务，因此可由应用层监视返回的响应时间。通信质量影响因素概述设备故障因素影响工业现场通信质量的设备故障因素可包括下列内容：设备通信接口物理驱动失效，设备无法作为活动设备接入通信网络；设备通信接口存在短路或断路，设备无法正常接入通信网络，甚至影响线路中其他设备的正常通信；设备通信协议栈运转异常，设备无法正常执行指令或与网络中其他设备正常通信；设备内部硬件模块或功能模块故障，设备在网络通信中提供的数据不可信。物理介质因素影响工业现场通信质量的物理介质因素可包括下列内容：线缆指标不符合协议规范要求；使用了非标准规定的连接器；终端电阻与通信网络需求不匹配，或未使用终端电阻；线缆长度过长或过短，不符合协议规范要求；线路主干与分支长度设计不合理；线缆老化。安装不规范因素工业通信网络通用安装行规和不同类型网络安装行规可参照IEC61918和IEC61784-5。影响通信质量的安装操作因素可包括下列内容：线缆和接插件不是标准类型或不符合协议规范；线缆布线不规范，包括线缆过度弯折、通信线缆无屏蔽、通信线缆与供电线缆紧密并行、线缆内芯裸露等；线缆接线不正确，包括总线差分线序接反、接地不当、线缆接口松动等；线缆在应用过程中非固定，有长期必要的旋转或抽拉动作；接插件未按协议规范安装，或接插件松动、脱落；设备安装不稳固，或未按推荐方式安装；网络拓扑设计不合理，或网络拓扑过于复杂；终端电阻不匹配，包括终端电阻安装位置错误，缺少终端电阻等；网络部件安装不合理，包括未在必要网段安装中继类设备等；网络分支或支线超出允许范围，相邻设备之间连线过短；设备未安装在指定区域内，包括非本安设备被安装于本安区域；设备在不支持的环境下工作，包括工作环境温湿度超出设备正常工作范围、选用设备不支持高原环境、无三防设备工作于潮湿盐蚀环境；在总线供电类工业通信网络中，总线供电问题可导致通信故障，可包括下列内容：总线供电电压过低，网络内设备或远端设备无法启动或稳定运行；总线供电电压过高，超出网络内设备的供电允许范围，设备无法工作或损坏；经物理介质传输、设备负载消耗后，供电设备提供的正常总线供电电平在远端衰减至标准规定范围之下。电磁干扰因素影响通信质量的电磁干扰因素可包括下列内容：在敷设电力网络时未考虑空间电磁辐射；设备选型和系统配套过程中，未对空间电磁辐射进行限制；供电电源不稳定，或电源无隔离，在电力网络中引入传导式电磁干扰；现场通信网络中存在大型电力设备、交直流传动装置或其他操作时会带来电网冲击的设备，这些设备动作时可导致电磁干扰在网络中传导；共用供电电源串入或空间电磁干扰等外部干扰信号侵入通信网络；接地系统混乱使得电磁干扰抑制未起作用；设备网络中没有抗雷击、浪涌类设备；雷击等自然因素。组态配置因素IPMACID、设备名称等错误；设备版本类配置与实际设备版本不符，包括低版本设备可能不支持高版本功能等；网络基础属性配置不符合设备性能，包括波特率不匹配、非冗余设备被配置为冗余设备等；GSDEDDDTM等；DI16DI8；组态配置与现场实际网络组成不符，包括组态设备未安装在实际网络等；组态配置未计及特殊物理介质，如未计及带有光电转换的网段；时间参数配置不合理，包括控制器等待时间设置低于设备实际响应时间，设备级联设置过长的延时时间等；网段配置的站点数过多，使得网络负载过高导致通信性能下降，或使得网段上通信宏周期过长导致设备过程数据传输实时性不足；供电类设备选择有误，导致整个网段供电不足，或供电电压过高。互操作不兼容因素系统中存在未经认证测试的设备，无法确认该设备完全符合通信协议规定；系统中存在未经互操作测试的设备，无法确认该设备不影响其他设备正常运行；系统中存在不同协议版本的设备，低版本设备不支持网络系统运行所需功能；系统中存在个别设备通信性能与其他设备不匹配，如设备处理速度过慢；包含多种工业通信协议的网络中，网关、网桥等网络设备配置有误，未正确执行不同网段间互联互通功能。通信典型故障概述物理层典型故障波形畸变传输信号波形畸变导致的通信异常或故障可能包括下列内容：a）幅值畸变：信号波形峰值或峰峰值低于协议规范允许范围，传输信号无法被识别；信号波形峰值或峰峰值高于协议规范允许的范围值，传输信号超过网络上设备的物理驱动范围，甚至损坏设备物理通信接口；沿畸变：信号波形上升时间超出协议规范允许范围；信号波形下降时间超出协议规范允许范围；信号波形的上升沿与下降沿超出协议规范允许范围；波形不对称：高低电平对释放状态偏差值超出协议规范允许范围，传输信号无法被识别；d）信接口损坏；噪声及电磁干扰传输速率异常传输信号的比特速率或波特率不符合协议规范导致通信异常或故障，可能包括下列内容：比特时间超出协议规范允许范围；比特时间偏差超出协议规范允许范围；设备实际比特速率或波特率与组态配置不一致，或与网络上的比特速率或波特率不匹配。数据链路层典型故障设备不在线可编程控制设备掉线或不在线时，将导致按组态配置所控制的整个网络或网段无法运行；建立连接进入正常工作状态。现场设备掉线或不在线时，可编程控制设备应通过指示灯闪烁等方式报警，但不应影响其他设备正常工作。注2：当现场设备上电或掉线重新上线时，应按组态配置与所属可编程控制设备重新建立连接进入正常工作状态。寻址错误当工业通信设备地址、标识（ID）、名称、标签（Tag）等信息的组态配置与设备实际设置不一致时，可导致设备通信寻址错误而无法找到目标设备。数据帧错误起始定界符/前导码错误：数据帧的起始符或前导码不符合通信协议规范；长度错误：接收数据帧字节数与数据帧中长度字段值不一致；功能指示错误：接收数据帧中功能指示字段值不符合通信协议规定，无法明确数据帧功能；校验错误：接收端计算的校验值与数据帧中校验字段值不相等，发送数据帧与接收数据帧不CRC数据帧丢失或错序：接收数据帧序列号与期望的不一致，数据帧丢失或错序；终止定界符错误：数据帧的终止定界符不符合通信协议规范，无法判断数据帧有效停止。循环通信连接无法建立循环通信连接建立过程中，常见错误可能包括下列内容：ID接收设备不支持请求数据帧中关于网络参数、循环周期、功能参数等设置值，循环通信连接建立失败；请求数据帧中关于循环数据字节数、数据类型等配置信息与接收设备不匹配，循环通信连接建立失败；接收设备始终在线，由于资源受限等原因无法建立循环连接。循环通信异常工业通信设备循环通信过程中，设备始终在线但数据链路层异常可能包括下列内容：发送端未周期性发送循环数据；发送端发送循环数据的实际周期与组态配置的循环周期偏差过大；发送端数据采集异常，数据不更新次数超出阈值；数据链路层调度异常，循环通信请求或响应报文不能按照组态配置按时发出；接收端在可容忍的时间或周期次数内一直未收到循环数据。非循环通信异常工业通信设备在进行非循环通信过程中，设备始终在线但数据链路层异常可能包括下列内容：ID接收设备始终在线，由于资源受限等原因无法建立非循环连接；网络负载异常工业通信网络不宜使用协议规范允许的最大带宽，组态配置时宜保留一定的网络负载（如50%）。应用层典型异常应用层典型故障是指网络可见的与预期应用行为不符的异常情况，可能包括下列内容：设备间交互的周期性数据长度与组态配置的预期长度不一致；建立非循环通信连接后，发起端设备未在规定时间内发出服务请求；建立非循环通信连接后，接收端设备未在规定时间内返回服务响应。通信质量检测检测方法工业现场通信质量检测方法可包括下列内容：物理层检测：宜使用具备物理层信号参数测量功能的检测设备在总线型拓扑最远设备处、异常设备通信接口处等网络拓扑关键节点，对物理层信号波形幅值、信号对称性、过冲、运行电压、上升时间、下降时间等指标进行测量，并判别测量值是否在通信协议规范允许范围。数据链路层检测：宜使用具备总线分析功能的检测设备对丢包率、错误包率、端到端传输时延、传输时延抖动、时间同步精度、非基于时间同步精度等指标进行直接测量或间接计算，并判别在线设备列表、循环连接、循环时间是否与组态配置一致。应用层检测：宜使用具备总线分析功能的检测设备对应用层循环数据长度、非循环通信响应时间等指标进行检测，并判别测量值是否与组态配置一致。检测及诊断流程工业现场通信质量检测及诊断流程，宜包括下列步骤：通信问题收集：收集并统计通信故障发生的时间、频度、结果等信息。（6.3）、应用层质量指标（6.4）检测，并进行数据统计；（见7）；8）排查；优化解决：根据通信故障分析和排查结果，形成工业现场通信优化解决方案。附录 A典型工业通信网络A.1网络类型IEC6115861784-1系列和IEC61784-2CPFCPCP。表A.1给出了IEC61158中类型、IEC61784-1和IEC61784-2中CPF/CP与各技术之间的关系。表A.19针Sub-D连接器引脚信号IEC61784通信行规（CP）与通信行规（CP）相应的IEC61158类型CPF技术名称CP编号类型1基金会现场总线FFCP1/1FFH1类型1和9CP1/2FFHSE类型5CP1/3FFH2类型1和92CIPCP2/1ControlNet类型2CP2/2EtherNet/IPCP2/3DeviceNet3PROFIBUS&PROFINETCP3/1PROFIBUSDP类型3CP3/2PROFIBUSPACP3/4PROFINETIOCC-A类型10CP3/5PROFINETIOCC-BCP3/6PROFINETIOCC-CCP3/7PROFINETIOCC-D4P-NETCP4/1P-NETRS-485类型4CP4/3P-NETonIP5WorldFIPCP5/1WorldFIP类型7CP5/2WorldFIPwithsubMMSCP5/3WorldFIPminimalforTCP/IP6INTERBUSCP6/1INTERBUS类型8CP6/2INTERBUSTCP/IPCP6/3INTERBUSsubsetofCP6/17因缺乏市场而删除8CC-LinkCP8/1CC-Link/V1类型18CP8/2CC-Link/V2CP8/3CC-Link/LTCP8/4CC-LinkIEControllerNetwork类型23CP8/5CC-LinkIEFieldNetworkCP8/6CC-LinkIETSN9HARTCP9/1HART类型20CP9/2WirelessHART见IEC62591第9章IEC6259110Vnet/IPCP10/1Vnet/IP类型17表A.19针Sub-D连接器引脚信号（续）IEC61784通信行规（CP）与通信行规（CP）相应的IEC61158类型CPF技术名称CP编号类型11TCnetCP11/1TCnet-star类型11CP11/2TCnet-loop100CP11/3TCnet-loop1G12EtherCATCP12/1类型12CP12/213EthernetPOWERLINKCP13/1POWERLINK类型1314EPACP14/1NRT类型14CP14/2RTCP14/3FRTCP14/4MRT15MODBUS-RTPSCP15/1MODBUSTCP类型15CP15/2RTPS16SERCOSCP16/1SERCOSI类型16CP16/2SERCOSIICP16/3SERCOSIII类型1917RAPIEnetCP17/1RAPIEnet类型2118SafetyNETpCP18/1SafetyNETpRTFL类型22CP18/2SafetyNETpRTFN19MECHATROLINKCP19/1MECHATROLINK-II类型24CP19/2MECHATROLINK-IIICP19/3Σ-LINKIICP19/4MECHATROLINK-4类型2720ADS-netCP20/1ADS-net/μΣNETWORK-1000类型25CP20/2ADS-net/NX21FL-netCP21/1FL-net类型2622AUTBUSCP22/1AUTBUS类型28附录 BPROFIBUS通信网络通信质量检测（资料性）PROFIBUSDPRS-485PROFIBUS设备一般采用9针Sub-D连接器，接口引脚信号应符合表B.1。表B.19针Sub-D连接器引脚信号引脚号RS-485信号实现说明1Shield可选屏蔽/保护地；对于新设备不使用2M24可选24V输出电压的地3B/B’（红）RxD/TxD-P必备接收数据/发送数据-P4CNTR-P可选中继器控制信号-P（RS-485/TTL）5DGND*必备（V（VP的参考电压）6VP*必备为总线终端供电的电压P（5V±0.25V）7P24V可选+24V输出电压，最小100mA8A/A’（绿）RxD/TxD-N必备接收数据/发送数据-N9CNTR-N可选中继器控制信号-N*如果终端外接，则VP和DGND在9针Sub-D连接器中是必须的VP信号是必备的且应在4.75V~5.25V范围内。通信质量检测时，应在VP引脚接入示波类测量设备进行测量。APROFIBUSDP网络中，线缆A和B之间电压差应在4V~7V范围内，A对地和B对地之间电压差应在-0.5V~0.5VAB（线缆B.1~B.3所示。图B.1PROFIBUSDP信号A与B间电压差测量图B.2PROFIBUSDP信号A对地电压测量图B.3PROFIBUSDP信号B对地电压测量反射信号PROFIBUSDP网络中，线缆A和B之间反射信号幅值应在-0.5V~0.5V范围内。通信质量检测时应在A、B引脚（线缆）上接入示波类测量设备进行测量。测量如图B.图B.4反射信号幅值测量PROFIBUSPA总线供电电压PROFIBUSPA网络中，总线供电电压应在9V~32V范围内。通信质量检测时应在PA总线两根线缆上接对于一些有本质安全，或其他特殊要求的现场场合，PA总线供电电压应满足现场实际需求。信号幅值PROFIBUSPA网络中，通信信号幅值（峰峰值）应在0.75V~1V范围内。图B.5所示示例测量信号幅值为0.84V。图B.5PROFIBUSPA