軌道交通冗余工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)分析

■ 卓越信通電子北京有限公司技術(shù)部

1 地鐵冗余工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展概況

工業(yè)以太網(wǎng)由于具有與商用以太網(wǎng)截然不同的實(shí)時(shí)性和安全性方面的特質(zhì)，在軌道交通領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。其中冗余和自愈是網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)，它是在自動(dòng)化對(duì)系統(tǒng)的可靠安全性、實(shí)時(shí)穩(wěn)定要求背景下誕生的。實(shí)時(shí)性和安全性方面的要求已經(jīng)把工業(yè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用到軌道交通多個(gè)系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在ISCS、BAS、PSCADA、AFC、PIS等多個(gè)系統(tǒng)中被大量應(yīng)用。北京機(jī)場(chǎng)線BAS系統(tǒng)的冗余工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)見圖1。

工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為關(guān)聯(lián)多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的主流設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。解析這一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前因后果，能一分為二地了解這一技術(shù)的先進(jìn)性和瑕疵，更好地提高城市軌道交通各個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

2 地鐵工業(yè)以太網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)分析

地鐵工業(yè)以太網(wǎng)的冗余設(shè)計(jì)主要包含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)冗余設(shè)計(jì)。

2.1 地鐵工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是引用拓?fù)鋵W(xué)中研究與大小、形狀無關(guān)的點(diǎn)、線關(guān)系的方法。把網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備抽象為一個(gè)點(diǎn)，把傳輸介質(zhì)抽象為一條線，由點(diǎn)和線組成的幾何圖形就是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能、系統(tǒng)的可靠性與通信費(fèi)用都有重大影響。

地鐵工業(yè)以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)源于一般商業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用，基本可以分成總線型、星型、環(huán)型及樹型等幾種形式。

大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的用戶都比較熟悉總線型連接，即多個(gè)工作站共享一個(gè)通用連接，如EIA-485或控制器局域網(wǎng)（CAN）。但是，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在工業(yè)以太網(wǎng)中已不再存在。盡管10BASE2 和10BASE5 確實(shí)是總線型基于同軸線纜的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，但由于它們局限于10 Mb/s的半雙工工作狀態(tài)，以及不被包含在新興商業(yè)樓宇的布線標(biāo)準(zhǔn)TIA/EIA-568-A中，其用途在逐漸減少。

圖1 北京機(jī)場(chǎng)線BAS系統(tǒng)的冗余工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

基于以上原因，目前工業(yè)以太網(wǎng)的布線多使用星型、樹型或環(huán)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果不考慮無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目前城市軌道交通工業(yè)以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要還是星型和環(huán)型?；诎踩煽糠矫娴目紤]，冗余雙星型和冗余雙環(huán)型是主流網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，而環(huán)型似乎更受到城市軌道交通應(yīng)用的青睞。

2.2 地鐵工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)淙哂?/h3>

通常構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)的方式主要有兩種：一種是繼承了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的冗余自愈方式，如STP、RSTP，TRUNKING等技術(shù)；另一種是專門針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化實(shí)時(shí)可靠性，并從傳統(tǒng)以太網(wǎng)變異出的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠家的私有環(huán)路冗余協(xié)議。

2.2.1 STP及RSTP

STP（Spanning Tree Protocol）作為一個(gè)鏈路層協(xié)議（IEEE 802.1D）存在，提供路徑冗余和阻止網(wǎng)絡(luò)循環(huán)發(fā)生，強(qiáng)令備用數(shù)據(jù)路徑為阻塞（blocked）狀態(tài)。如果一條路徑有故障，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時(shí)間為30～60 s。RSTP（快速生成樹算法，IEEE 802.1w）作為STP的升級(jí)，將網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時(shí)間縮短到1～2 s。STP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活，但存在恢復(fù)速度慢的缺點(diǎn)，在很多工業(yè)環(huán)境中并不適用。

2.2.2 Trunking技術(shù)

這種方式是將不同交換機(jī)的多個(gè)端口設(shè)置為Trunking主干端口，并建立連接（見圖2）。這樣在交換機(jī)之間可以形成一個(gè)高速的骨干鏈接，不但成倍地提高了骨干鏈接的網(wǎng)絡(luò)帶寬，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，而且還提供了冗余功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的骨干鏈接產(chǎn)生斷線等問題，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)會(huì)通過剩下的鏈接進(jìn)行傳遞，保證網(wǎng)絡(luò)通信正常。Trunking主干網(wǎng)絡(luò)可以采用總線型和星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，理論通信距離可以無限延長(zhǎng)。由于Trunking技術(shù)采用了硬件偵測(cè)及數(shù)據(jù)平衡的方法，所以使網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時(shí)間達(dá)到了新的高度，一般恢復(fù)時(shí)間可以達(dá)到10 ms以下。

但實(shí)際應(yīng)用中，鏈路A和鏈路B幾乎都在各自同一個(gè)管道內(nèi)，鏈路A、鏈路B內(nèi)的鏈路即使是雙冗余，管道一旦遭到破壞，則鏈路與備份鏈路均被損壞，達(dá)不到保護(hù)作用。交換機(jī)2和交換機(jī)3不能連通，否則即形成閉環(huán)，如果不打開STP會(huì)產(chǎn)生廣播風(fēng)暴導(dǎo)致運(yùn)行癱瘓，打開STP就如上所述，又滿足不了工業(yè)環(huán)境的實(shí)時(shí)性的要求。因此，Trunking技術(shù)由于并不是為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境研發(fā)的，這種技術(shù)在工業(yè)環(huán)境下實(shí)際意義不大，是一種“假冗余”技術(shù) 。正是由于傳統(tǒng)以太網(wǎng)本身提供的冗余自愈技術(shù)不能滿足工業(yè)環(huán)境需求，才自然迫使工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)生變異進(jìn)化出了自身的冗余自愈技術(shù)。

2.2.3 私有環(huán)路冗余協(xié)議

在STP之后，為了能滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，開始采用環(huán)路連接網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)現(xiàn)冗余快速恢復(fù)。采用這種技術(shù)可以使網(wǎng)絡(luò)在中斷后300 ms之內(nèi)自行恢復(fù)?？梢酝ㄟ^交換機(jī)的出錯(cuò)繼電連接、狀態(tài)顯示燈和SNMP設(shè)置等方法來提醒出現(xiàn)斷網(wǎng)現(xiàn)象。這些都可以幫助診斷環(huán)網(wǎng)什么地方出現(xiàn)斷開。但不同的工業(yè)以太網(wǎng)廠家研發(fā)了不同且不兼容的環(huán)路冗余協(xié)議。

環(huán)路冗余大體可以采用3種方法。

（1）單機(jī)單環(huán)冗余（見圖3）。采用單機(jī)單環(huán)冗余的北京地鐵亦莊線門禁系統(tǒng)由中央級(jí)門禁系統(tǒng)和車站級(jí)門禁系統(tǒng)構(gòu)成。中央級(jí)門禁系統(tǒng)主要完成對(duì)控制中心（OCC）大樓各層辦公室門、通道門和全線各車站的屏蔽門、辦公管理用房及設(shè)備房門等的開閉控制管理，進(jìn)行安全防護(hù)。中央級(jí)門禁系統(tǒng)由2臺(tái)冗余服務(wù)器、1臺(tái)操作工作站及打印機(jī)等設(shè)備組成。車站級(jí)門禁系統(tǒng)由車站級(jí)分管理中心、工業(yè)冗余環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、門禁控制器等設(shè)備組成。車站A端、B端設(shè)置的門禁控制器之間通過工業(yè)級(jí)交換機(jī)構(gòu)成光纖單環(huán)以太網(wǎng)，構(gòu)成車站ACS現(xiàn)場(chǎng)級(jí)環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用有效地避免了單點(diǎn)故障對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。

圖2 Trunking技術(shù)在車載PIS系統(tǒng)中應(yīng)用

（2）雙機(jī)單環(huán)冗余（見圖1）。采用雙機(jī)單環(huán)冗余的地鐵典型車站BAS系統(tǒng)，主要對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備、給排水系統(tǒng)設(shè)備、電梯系統(tǒng)設(shè)備、低壓配電與動(dòng)力照明系統(tǒng)設(shè)備等車站機(jī)電設(shè)備進(jìn)行全面、有效地自動(dòng)化監(jiān)控及管理，進(jìn)行程序自動(dòng)、實(shí)時(shí)、定時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)就地監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，控制開啟和關(guān)停，檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，調(diào)控環(huán)境舒適度及節(jié)能管理。此方式充分利用了工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備的高可靠性和冗余性，工作站、服務(wù)器、PLC等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均實(shí)現(xiàn)雙節(jié)點(diǎn)接入，避免單點(diǎn)故障對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響，為系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（3）雙機(jī)雙環(huán)冗余（見圖4）。采用雙機(jī)雙環(huán)冗余的主要優(yōu)勢(shì)在于可以通過雙通道連接，避免單個(gè)線纜出錯(cuò)或單個(gè)設(shè)備出錯(cuò)帶來的問題。

3 軌道交通環(huán)形拓?fù)涔I(yè)以太網(wǎng)的瑕疵

3.1 工業(yè)以太網(wǎng)中環(huán)形拓?fù)涞蔫Υ?/h3>

以太環(huán)網(wǎng)并不意味著完全的冗余，它只是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的一種。目前工業(yè)以太網(wǎng)的布線系統(tǒng)實(shí)際處于布線的初級(jí)階段。應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的布線系統(tǒng)及設(shè)備還大量采用“纜+頭”連接模式，因此存在連接故障。同時(shí)，工業(yè)控制設(shè)備及工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備本身也會(huì)存在故障問題，因此工業(yè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)有很多故障點(diǎn)。環(huán)型拓?fù)涮峁┝四撤N程度的冗余，但還有很多單一故障點(diǎn)讓一個(gè)或多個(gè)器件不能通信。實(shí)際往往有幾個(gè)小型交換機(jī)通過單線連接交換機(jī)的幾個(gè)端口，此種入網(wǎng)設(shè)備形成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樹形拓?fù)?。如果交換機(jī)與設(shè)備間的線纜發(fā)生故障，設(shè)備通信就因一個(gè)點(diǎn)的錯(cuò)誤而中斷。如果一個(gè)交換機(jī)中斷了其上所有設(shè)備的連接，這個(gè)交換機(jī)也就失效了。這在過程控制中是不可接受的。

圖3 單機(jī)單環(huán)冗余

圖4 雙機(jī)雙環(huán)冗余

環(huán)型拓?fù)湓O(shè)計(jì)雖然做到了骨干網(wǎng)物理層的冗余、自愈、交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)層冗余，但往往由于城市軌道交通各子系統(tǒng)最終前端設(shè)備不支持冗余設(shè)計(jì)，大多數(shù)設(shè)備甚至沒有預(yù)留冗余接口，從而導(dǎo)致整個(gè)子系統(tǒng)的冗余自愈設(shè)計(jì)“虎頭蛇尾”，達(dá)沒有真正達(dá)到冗余自愈的設(shè)計(jì)要求。

3.2 解決瑕疵的辦法

3.2.1 關(guān)鍵鏈路冗余保護(hù)器

針對(duì)地鐵控制前端設(shè)備沒有預(yù)留冗余接口的情況，研發(fā)“關(guān)鍵鏈路冗余自愈保護(hù)器”（見圖5）。該設(shè)備實(shí)際上是這些設(shè)備外延的冗余自愈保護(hù)模塊，其功能是將原控制設(shè)備上網(wǎng)絡(luò)接口由一變成二，從而可接入主輔兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，達(dá)到冗余保護(hù)的目的。

3.2.2 關(guān)鍵鏈路冗余保護(hù)器

網(wǎng)絡(luò)冗余器可用于連接服務(wù)器、路由器等需要網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)的以太網(wǎng)設(shè)備。它具有3個(gè)RJ45接口，分別是輸入端口（Protected）、主輸出端口（Primary）、備份輸出端口（Backup）。網(wǎng)絡(luò)冗余器在正常情況下“Protected”端口與“Primary”端口連接，通過“Primary”端口進(jìn)行以太網(wǎng)的通信；當(dāng)“Primary”端口通信線路出現(xiàn)故障時(shí)，這時(shí)不需要路由器或服務(wù)器向網(wǎng)絡(luò)冗余器發(fā)送數(shù)據(jù)通信錯(cuò)誤的命令，冗余器將自動(dòng)切換到“Backup”端口，“Protected”端口與“Backup”端口連接，通過“Backup”端口進(jìn)行以太網(wǎng)通信。當(dāng)“Primary”端口通信線路故障消除后，冗余器將自動(dòng)切換到“Primary”端口進(jìn)行以太網(wǎng)通信（見圖6）。

3.2.3 設(shè)備端口、關(guān)鍵鏈路、網(wǎng)絡(luò)全部冗余的方案

圖5 關(guān)鍵鏈路冗余保護(hù)器

圖6 關(guān)鍵鏈路冗余保護(hù)器原理

圖7 實(shí)行設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、端口全部冗余的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

設(shè)備端口、關(guān)鍵鏈路、網(wǎng)絡(luò)全部冗余的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖7。A類PLC設(shè)備配置為單網(wǎng)卡，B類PLC設(shè)備配置為雙網(wǎng)卡。雙網(wǎng)卡的B類PLC設(shè)備按照工業(yè)冗余方案可以采用2個(gè)網(wǎng)卡分別接到2個(gè)環(huán)網(wǎng)上，從而實(shí)現(xiàn)鏈路冗余。單網(wǎng)卡的A類PLC設(shè)備通過1臺(tái)冗余保護(hù)器接到2個(gè)環(huán)網(wǎng)上。冗余保護(hù)器是專門為工業(yè)冗余網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一款工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)產(chǎn)品，它可以比喻為1個(gè)岔路口，分出的2條路（主路和輔路）都可以到達(dá)目的地?？梢愿鶕?jù)情況選擇主路和輔路，平常狀況下走主路，但當(dāng)主路出狀況時(shí)改走輔路，從而保證了網(wǎng)絡(luò)連通性。

4 結(jié)束語

以太網(wǎng)技術(shù)由于其開放的特點(diǎn)逐步進(jìn)入自動(dòng)化及先進(jìn)制造領(lǐng)域，而工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)更是因其獨(dú)有的實(shí)時(shí)性和可靠性大范圍地滲透到城市軌道交通的各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。冗余自愈性能將是工業(yè)以太網(wǎng)這一技術(shù)演進(jìn)的重要方向。目前的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)比傳統(tǒng)的民用以太網(wǎng)技術(shù)及目前的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已有長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是要在實(shí)時(shí)性和冗余自愈做到盡善盡美，還需要進(jìn)一步研究。