基于工業(yè)以太網(wǎng)冗余自愈技術(shù)的研究

王 華，任照富

（重慶電力高等專(zhuān)科學(xué)校，重慶 400053）

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)逐漸滲透到工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，形成了工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)。作為連接工控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)以太網(wǎng)相當(dāng)于工控系統(tǒng)的血管，承擔(dān)工控?cái)?shù)據(jù)上行下傳的任務(wù)。工業(yè)以太網(wǎng)一旦發(fā)生任何中斷和故障，整個(gè)系統(tǒng)都將停運(yùn)，從而引發(fā)設(shè)備和人身事故。所以工控系統(tǒng)要求工業(yè)以太網(wǎng)必須長(zhǎng)期、穩(wěn)定和可靠地運(yùn)行。冗余自愈是工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)，它是自動(dòng)化及先進(jìn)制造對(duì)系統(tǒng)的可靠安全性、實(shí)時(shí)穩(wěn)定性要求的結(jié)果?？煽啃砸髽O為苛刻的環(huán)境如石化、冶金等，采用冗余與自愈技術(shù)能保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間、無(wú)故障地運(yùn)行。因此，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)充分考慮冗余自愈是非常必要的。

1 工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)之所以強(qiáng)調(diào)“工業(yè)”，主要是因?yàn)閼?yīng)用環(huán)境相對(duì)辦公室環(huán)境來(lái)說(shuō)比較惡劣，它要滿足惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中電纜和機(jī)械設(shè)備的連接要求［1］，如以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器要能適應(yīng)大溫差、強(qiáng)電磁輻射等惡劣環(huán)境。

由于智能存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、冗余自愈、抗干擾和以太網(wǎng)供電等技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)逐漸在技術(shù)上具備了“E網(wǎng)到底”的條件，許多新型控制器都提供以太網(wǎng)接口，目前的應(yīng)用已經(jīng)從管理層延伸到控制層，并逐漸向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層發(fā)展，如圖1所示。管理層是指企業(yè)的上層決策和管理;控制層主要負(fù)責(zé)將上層的控制命令與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的讀取;現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層指工廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，主要現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的讀取。

1.1 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于:

(1)它是開(kāi)放式、全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，采用相同協(xié)議的設(shè)備容易互聯(lián);

(2)方便與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫集成，真正實(shí)現(xiàn)企業(yè)的管控一體化，系統(tǒng)功能組態(tài)也簡(jiǎn)單化;

(3)軟硬件資源豐富，成本低廉，用戶對(duì)于設(shè)備的選擇度更大;

(4)通信速度快，帶寬、交換機(jī)等技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了通信速率的提高。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

工業(yè)以太網(wǎng)中常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有四種［2］:總線型結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)、樹(shù)型結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)?？偩€拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因信號(hào)沖突頻繁，信道利用率不高，速度慢、網(wǎng)絡(luò)延伸性有限，現(xiàn)在很少在工業(yè)以太網(wǎng)中使用;星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展方便、傳輸速度快等特點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛;樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)容易擴(kuò)展、故障隔離方便，但各節(jié)點(diǎn)對(duì)根節(jié)點(diǎn)依賴性較大;環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)性好，傳輸控制簡(jiǎn)單，有簡(jiǎn)單的冗余功能，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

當(dāng)前，在工業(yè)以太網(wǎng)中主要應(yīng)用的還是星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)，基于安全可靠性和實(shí)時(shí)性方面的考慮，冗余雙星型和冗余環(huán)型是主流的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，而冗余環(huán)型網(wǎng)絡(luò)更受用工業(yè)用戶的青睞。

2 冗余與自愈技術(shù)

冗余就是增加多余的硬設(shè)備，以保證系統(tǒng)更加可靠、安全地工作。冗余是使若干同樣裝置并聯(lián)運(yùn)行，只有當(dāng)組成系統(tǒng)的并聯(lián)裝置全部失效時(shí)系統(tǒng)才不工作［3］。

工業(yè)以太網(wǎng)主要的冗余方式有:鏈路層冗余、環(huán)網(wǎng)冗余和主干冗余(Trunking)。鏈路層冗余由于恢復(fù)速度慢，在很多工業(yè)環(huán)境中并不適用。環(huán)網(wǎng)冗余是使用環(huán)網(wǎng)提供高速冗余的一種技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)在300ms以下;主干冗余是將不同交換機(jī)的多個(gè)端口設(shè)置為T(mén)runking主干端口，并建立連接，在交換機(jī)之間形成一個(gè)高速骨干鏈接，不但增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，也實(shí)現(xiàn)了冗余功能。它的網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時(shí)間一般在10ms以下。主干冗余本身不是為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)研發(fā)的，它只是一種“假冗余”技術(shù)。因此在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中多采用環(huán)網(wǎng)冗余方式。

自愈就是指網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生失效時(shí)，不需要人工干預(yù)，就能夠很快采用另外的路由，以使系統(tǒng)運(yùn)行不受影響或少受影響。自愈要求設(shè)備有冗余度和網(wǎng)絡(luò)的智能性，以很快地交互網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果［4］。在光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)采用的自愈機(jī)制有［5］:自動(dòng)保護(hù)切換(APS)、分布式故障恢復(fù)(DR)、自愈環(huán)(SHR)。

目前的環(huán)網(wǎng)冗余自愈協(xié)議有［6］:HIPER RING;TURBO RING;SUPREME RING;RAPID RING協(xié)議等。

采用冗余自愈技術(shù)后，網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生故障時(shí)表現(xiàn)出很好的彈性，系統(tǒng)運(yùn)行不受局部故障的影響，而且在故障發(fā)生后較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，使整個(gè)工業(yè)控制過(guò)程不受影響。

3 冗余自愈在工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用

在工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的環(huán)形以太網(wǎng)雖然提供了某種程序的冗余，但還是有很多單一失效點(diǎn)讓一個(gè)或多個(gè)器件不能通信，而且網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的自我恢復(fù)能力不夠理想，在環(huán)網(wǎng)中增加一個(gè)交換機(jī)時(shí)就需要斷網(wǎng)，即必須將生產(chǎn)任務(wù)停下來(lái)進(jìn)行設(shè)備擴(kuò)展。這在追求高可靠性的石化、冶金等控制領(lǐng)域是不可接受的。

因此，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)時(shí)必須考慮完全的冗余和快速恢復(fù)機(jī)制，即供電系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、端口的全部冗余與網(wǎng)絡(luò)的自愈恢復(fù)能力。如圖1所示，在設(shè)備層和管理層均可通過(guò)物理冗余實(shí)現(xiàn)，而在網(wǎng)絡(luò)層則采用自愈式雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)有效的冗余提升了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1 冗余自愈型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.1 供電系統(tǒng)的冗余

供電系統(tǒng)是保障控制網(wǎng)絡(luò)能夠正常工作的動(dòng)力源泉，一旦電源發(fā)生故障，將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)陷入癱瘓狀態(tài)，造成嚴(yán)重的后果。因此，要使系統(tǒng)能夠安全、可靠、長(zhǎng)期、穩(wěn)定地工作，首先要確保控制網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的供電。采用冗余電源能夠保障充分、持續(xù)的電力供應(yīng)，一般工廠的電力系統(tǒng)比較穩(wěn)定，所以采用UPS作為備份電源。當(dāng)電力出現(xiàn)故障時(shí)，UPS能夠保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的供電。

3.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備冗余

在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，交換機(jī)和路由器、光端機(jī)等的快速發(fā)展極大地促進(jìn)了以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用。要保證工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須保證節(jié)點(diǎn)的交換機(jī)或路由器的正常工作，采用支持冗余管理協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，例如管理型交換機(jī)(Managed Switch)，它能自動(dòng)判斷最優(yōu)傳輸路徑和備用路徑，當(dāng)優(yōu)先路徑中斷時(shí)自動(dòng)阻斷(Block)備用路徑。隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)穩(wěn)定性、安全性方面的追求越來(lái)越高，采用冗余功能的要求變得異常突出。

3.3 端口冗余

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，許多控制器需要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)。如果一個(gè)控制器的網(wǎng)絡(luò)端口出現(xiàn)故障，將使監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法獲取重要參數(shù)信息，這對(duì)于操作員做出正確的判斷是不利的。以太網(wǎng)口的全面冗余能夠彌補(bǔ)工廠停產(chǎn)所增加的成本。

3.4 自愈式雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，可以用EPA或Modbus TCP/IP等協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)為主干網(wǎng)，結(jié)構(gòu)上采用自愈環(huán)結(jié)構(gòu)，以多模光纖作為通訊介質(zhì)，使用具有自愈功能的光端機(jī)，形成一主一備光纖通訊環(huán)。萬(wàn)一某段站間通訊鏈路中斷，備用環(huán)可以在30ms之內(nèi)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通訊。當(dāng)通訊鏈路恢復(fù)正常，備用環(huán)又可以自動(dòng)地切換到主環(huán)。主備環(huán)之間的切換都由設(shè)備自動(dòng)快速地完成，這就是所謂的“自愈式”功能。光端機(jī)配置了自適應(yīng)以太網(wǎng)通訊口，與以太網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行通訊，它的主要作用就是將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并且保證系統(tǒng)主干通訊的正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

冗余自愈是工業(yè)以太網(wǎng)演變的一個(gè)重要方向，冗余自愈技術(shù)增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度和用戶的投資，但這種投資換來(lái)了系統(tǒng)的可靠性，它提高了整個(gè)用戶系統(tǒng)的無(wú)故障運(yùn)行的時(shí)間，縮短了故障修復(fù)的時(shí)間。具體應(yīng)用時(shí)需根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境和要求，對(duì)相關(guān)的利弊關(guān)系進(jìn)行認(rèn)真分析，再確定是否采用冗余自愈技術(shù)。

［1］ 李繼容，鮑芳，何湘初.以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用及研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2002，(9).

［2］ 周月明.工控系統(tǒng)中的工業(yè)以太網(wǎng)［J］.科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2007，(20).

［3］ 張帆.冗余系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2007，(12).

［4］ 李航，劉西洋，陳平.自愈系統(tǒng)構(gòu)架構(gòu)建方法研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2007，(2).

［5］ 陳山枝.寬帶網(wǎng)絡(luò)的自愈技術(shù)［J］.數(shù)字通信，1995，(1).

［6］ 郭軍.網(wǎng)絡(luò)管理［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2001.