王 華，任照富

（重慶電力高等?？茖W校，重慶 400053）

0 引言

隨著網(wǎng)絡技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)逐漸滲透到工業(yè)自動化領(lǐng)域，形成了工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡。作為連接工控系統(tǒng)的網(wǎng)絡，工業(yè)以太網(wǎng)相當于工控系統(tǒng)的血管，承擔工控數(shù)據(jù)上行下傳的任務。工業(yè)以太網(wǎng)一旦發(fā)生任何中斷和故障，整個系統(tǒng)都將停運，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)必須長期、穩(wěn)定和可靠地運行。冗余自愈是工業(yè)自動化網(wǎng)絡體系架構(gòu)的一個重要特點，它是自動化及先進制造對系統(tǒng)的可靠安全性、實時穩(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)長時間、無故障地運行。因此，在工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)設(shè)計和應用時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)之所以強調(diào)“工業(yè)”，主要是因為應用環(huán)境相對辦公室環(huán)境來說比較惡劣，它要滿足惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中電纜和機械設(shè)備的連接要求［1］，如以太網(wǎng)交換機和路由器要能適應大溫差、強電磁輻射等惡劣環(huán)境。

由于智能存儲轉(zhuǎn)發(fā)、冗余自愈、抗干擾和以太網(wǎng)供電等技術(shù)和應用的發(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，目前的應用已經(jīng)從管理層延伸到控制層，并逐漸向現(xiàn)場設(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;控制層主要負責將上層的控制命令與現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的讀取;現(xiàn)場設(shè)備層指工廠的現(xiàn)場設(shè)備，主要現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的讀取。

1.1 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)現(xiàn)場總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢在于:

(1)它是開放式、全數(shù)字化網(wǎng)絡，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)絡的無縫集成，真正實現(xiàn)企業(yè)的管控一體化，系統(tǒng)功能組態(tài)也簡單化;

(3)軟硬件資源豐富，成本低廉，用戶對于設(shè)備的選擇度更大;

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

1.2 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

工業(yè)以太網(wǎng)中常見的拓撲結(jié)構(gòu)有四種［2］:總線型結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)?？偩€拓撲結(jié)構(gòu)因信號沖突頻繁，信道利用率不高，速度慢、網(wǎng)絡延伸性有限，現(xiàn)在很少在工業(yè)以太網(wǎng)中使用;星型拓撲結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)點擴展方便、傳輸速度快等特點，應用比較廣泛;樹型拓撲結(jié)構(gòu)容易擴展、故障隔離方便，但各節(jié)點對根節(jié)點依賴性較大;環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)實時性好，傳輸控制簡單，有簡單的冗余功能，適用于對實時性要求較高的工業(yè)現(xiàn)場。

當前，在工業(yè)以太網(wǎng)中主要應用的還是星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)，基于安全可靠性和實時性方面的考慮，冗余雙星型和冗余環(huán)型是主流的網(wǎng)絡拓撲，而冗余環(huán)型網(wǎng)絡更受用工業(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)運行，只有當組成系統(tǒng)的并聯(lián)裝置全部失效時系統(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)絡中斷恢復在300ms以下;主干冗余是將不同交換機的多個端口設(shè)置為Trunking主干端口，并建立連接，在交換機之間形成一個高速骨干鏈接，不但增強了網(wǎng)絡吞吐量，也實現(xiàn)了冗余功能。它的網(wǎng)絡中斷恢復時間一般在10ms以下。主干冗余本身不是為工業(yè)網(wǎng)絡研發(fā)的，它只是一種“假冗余”技術(shù)。因此在工業(yè)控制網(wǎng)絡中多采用環(huán)網(wǎng)冗余方式。

自愈就是指網(wǎng)絡在發(fā)生失效時，不需要人工干預，就能夠很快采用另外的路由，以使系統(tǒng)運行不受影響或少受影響。自愈要求設(shè)備有冗余度和網(wǎng)絡的智能性，以很快地交互網(wǎng)絡診斷結(jié)果［4］。在光纖傳輸網(wǎng)絡采用的自愈機制有［5］:自動保護切換(APS)、分布式故障恢復(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)絡在發(fā)生故障時表現(xiàn)出很好的彈性，系統(tǒng)運行不受局部故障的影響，而且在故障發(fā)生后較短時間內(nèi)恢復，使整個工業(yè)控制過程不受影響。

3 冗余自愈在工業(yè)以太網(wǎng)中的應用

在工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡中廣泛使用的環(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讓一個或多個器件不能通信，而且網(wǎng)絡設(shè)備的自我恢復能力不夠理想，在環(huán)網(wǎng)中增加一個交換機時就需要斷網(wǎng)，即必須將生產(chǎn)任務停下來進行設(shè)備擴展。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)絡拓撲設(shè)計時必須考慮完全的冗余和快速恢復機制，即供電系統(tǒng)，網(wǎng)絡設(shè)備、端口的全部冗余與網(wǎng)絡的自愈恢復能力。如圖1所示，在設(shè)備層和管理層均可通過物理冗余實現(xiàn)，而在網(wǎng)絡層則采用自愈式雙環(huán)網(wǎng)絡實現(xiàn)。通過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)絡能夠正常工作的動力源泉，一旦電源發(fā)生故障，將會使整個系統(tǒng)陷入癱瘓狀態(tài)，造成嚴重的后果。因此，要使系統(tǒng)能夠安全、可靠、長期、穩(wěn)定地工作，首先要確?？刂凭W(wǎng)絡穩(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，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。當電力出現(xiàn)故障時，UPS能夠保證網(wǎng)絡設(shè)備的供電。

3.2 網(wǎng)絡設(shè)備冗余

在工業(yè)控制網(wǎng)絡中，交換機和路由器、光端機等的快速發(fā)展極大地促進了以太網(wǎng)在工業(yè)自動化中的應用。要保證工業(yè)以太網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行，必須保證節(jié)點的交換機或路由器的正常工作，采用支持冗余管理協(xié)議的網(wǎng)絡設(shè)備，例如管理型交換機(Managed Switch)，它能自動判斷最優(yōu)傳輸路徑和備用路徑，當優(yōu)先路徑中斷時自動阻斷(Block)備用路徑。隨著工業(yè)網(wǎng)絡對穩(wěn)定性、安全性方面的追求越來越高，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，許多控制器需要點對點的進行通信，完成數(shù)據(jù)的上傳下達。如果一個控制器的網(wǎng)絡端口出現(xiàn)故障，將使監(jiān)控系統(tǒng)無法獲取重要參數(shù)信息，這對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工廠停產(chǎn)所增加的成本。

3.4 自愈式雙環(huán)網(wǎng)絡

在網(wǎng)絡設(shè)計時，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，形成一主一備光纖通訊環(huán)。萬一某段站間通訊鏈路中斷，備用環(huán)可以在30ms之內(nèi)恢復網(wǎng)絡通訊。當通訊鏈路恢復正常，備用環(huán)又可以自動地切換到主環(huán)。主備環(huán)之間的切換都由設(shè)備自動快速地完成，這就是所謂的“自愈式”功能。光端機配置了自適應以太網(wǎng)通訊口，與以太網(wǎng)設(shè)備進行通訊，它的主要作用就是將電子信號轉(zhuǎn)換成光信號，并且保證系統(tǒng)主干通訊的正常運行。

4 結(jié)束語

冗余自愈是工業(yè)以太網(wǎng)演變的一個重要方向，冗余自愈技術(shù)增加了系統(tǒng)設(shè)計的難度和用戶的投資，但這種投資換來了系統(tǒng)的可靠性，它提高了整個用戶系統(tǒng)的無故障運行的時間，縮短了故障修復的時間。具體應用時需根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境和要求，對相關(guān)的利弊關(guān)系進行認真分析，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)自動化領(lǐng)域的應用及研究［J］.計算機應用研究，2002，(9).

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

［3］ 張帆.冗余系統(tǒng)在網(wǎng)絡設(shè)計中的應用［J］.網(wǎng)絡安全技術(shù)與應用，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)絡的自愈技術(shù)［J］.數(shù)字通信，1995，(1).

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