基于工業以太網冗余自愈技術的研究

王 華，任照富

（重慶電力高等?？茖W校，重慶 400053）

0 引言

隨著網絡技術和自動化技術的發展，以太網逐漸滲透到工業自動化領域，形成了工業以太網控制網絡。作為連接工控系統的網絡，工業以太網相當于工控系統的血管，承擔工控數據上行下傳的任務。工業以太網一旦發生任何中斷和故障，整個系統都將停運，從而引發設備和人身事故。所以工控系統要求工業以太網必須長期、穩定和可靠地運行。冗余自愈是工業自動化網絡體系架構的一個重要特點，它是自動化及先進制造對系統的可靠安全性、實時穩定性要求的結果?？煽啃砸髽O為苛刻的環境如石化、冶金等，采用冗余與自愈技術能保證系統長時間、無故障地運行。因此，在工業網絡系統設計和應用時充分考慮冗余自愈是非常必要的。

1 工業以太網

工業以太網之所以強調“工業”，主要是因為應用環境相對辦公室環境來說比較惡劣，它要滿足惡劣的工業現場環境中電纜和機械設備的連接要求［1］，如以太網交換機和路由器要能適應大溫差、強電磁輻射等惡劣環境。

由于智能存儲轉發、冗余自愈、抗干擾和以太網供電等技術和應用的發展，工業以太網已經逐漸在技術上具備了“E網到底”的條件，許多新型控制器都提供以太網接口，目前的應用已經從管理層延伸到控制層，并逐漸向現場設備層發展，如圖1所示。管理層是指企業的上層決策和管理;控制層主要負責將上層的控制命令與現場設備數據的讀取;現場設備層指工廠的現場設備，主要現場設備數據的讀取。

1.1 工業以太網的優勢

與傳統現場總線相比，工業以太網技術的優勢在于:

(1)它是開放式、全數字化網絡，采用相同協議的設備容易互聯;

(2)方便與企業信息網絡的無縫集成，真正實現企業的管控一體化，系統功能組態也簡單化;

(3)軟硬件資源豐富，成本低廉，用戶對于設備的選擇度更大;

(4)通信速度快，帶寬、交換機等技術的發展促進了通信速率的提高。

1.2 網絡拓撲結構

工業以太網中常見的拓撲結構有四種［2］:總線型結構、星型結構、樹型結構、環型結構?？偩€拓撲結構因信號沖突頻繁，信道利用率不高，速度慢、網絡延伸性有限，現在很少在工業以太網中使用;星型拓撲結構具有結構簡單、節點擴展方便、傳輸速度快等特點，應用比較廣泛;樹型拓撲結構容易擴展、故障隔離方便，但各節點對根節點依賴性較大;環型拓撲結構實時性好，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現場。

當前，在工業以太網中主要應用的還是星型和環型結構，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型是主流的網絡拓撲，而冗余環型網絡更受用工業用戶的青睞。

2 冗余與自愈技術

冗余就是增加多余的硬設備，以保證系統更加可靠、安全地工作。冗余是使若干同樣裝置并聯運行，只有當組成系統的并聯裝置全部失效時系統才不工作［3］。

工業以太網主要的冗余方式有:鏈路層冗余、環網冗余和主干冗余(Trunking)。鏈路層冗余由于恢復速度慢，在很多工業環境中并不適用。環網冗余是使用環網提供高速冗余的一種技術，網絡中斷恢復在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，不但增強了網絡吞吐量，也實現了冗余功能。它的網絡中斷恢復時間一般在10ms以下。主干冗余本身不是為工業網絡研發的，它只是一種“假冗余”技術。因此在工業控制網絡中多采用環網冗余方式。

自愈就是指網絡在發生失效時，不需要人工干預，就能夠很快采用另外的路由，以使系統運行不受影響或少受影響。自愈要求設備有冗余度和網絡的智能性，以很快地交互網絡診斷結果［4］。在光纖傳輸網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(SHR)。

目前的環網冗余自愈協議有［6］:HIPER RING;TURBO RING;SUPREME RING;RAPID RING協議等。

采用冗余自愈技術后，網絡在發生故障時表現出很好的彈性，系統運行不受局部故障的影響，而且在故障發生后較短時間內恢復，使整個工業控制過程不受影響。

3 冗余自愈在工業以太網中的應用

在工業以太網控制網絡中廣泛使用的環形以太網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，而且網絡設備的自我恢復能力不夠理想，在環網中增加一個交換機時就需要斷網，即必須將生產任務停下來進行設備擴展。這在追求高可靠性的石化、冶金等控制領域是不可接受的。

因此，在網絡拓撲設計時必須考慮完全的冗余和快速恢復機制，即供電系統，網絡設備、端口的全部冗余與網絡的自愈恢復能力。如圖1所示，在設備層和管理層均可通過物理冗余實現，而在網絡層則采用自愈式雙環網絡實現。通過有效的冗余提升了控制系統的穩定性和可靠性。

圖1 冗余自愈型網絡結構圖

3.1 供電系統的冗余

供電系統是保障控制網絡能夠正常工作的動力源泉，一旦電源發生故障，將會使整個系統陷入癱瘓狀態，造成嚴重的后果。因此，要使系統能夠安全、可靠、長期、穩定地工作，首先要確保控制網絡穩定的供電。采用冗余電源能夠保障充分、持續的電力供應，一般工廠的電力系統比較穩定，所以采用UPS作為備份電源。當電力出現故障時，UPS能夠保證網絡設備的供電。

3.2 網絡設備冗余

在工業控制網絡中，交換機和路由器、光端機等的快速發展極大地促進了以太網在工業自動化中的應用。要保證工業以太網絡的穩定運行，必須保證節點的交換機或路由器的正常工作，采用支持冗余管理協議的網絡設備，例如管理型交換機(Managed Switch)，它能自動判斷最優傳輸路徑和備用路徑，當優先路徑中斷時自動阻斷(Block)備用路徑。隨著工業網絡對穩定性、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

在工業現場，許多控制器需要點對點的進行通信，完成數據的上傳下達。如果一個控制器的網絡端口出現故障，將使監控系統無法獲取重要參數信息，這對于操作員做出正確的判斷是不利的。以太網口的全面冗余能夠彌補工廠停產所增加的成本。

3.4 自愈式雙環網絡

在網絡設計時，可以用EPA或Modbus TCP/IP等協議的工業以太網為主干網，結構上采用自愈環結構，以多模光纖作為通訊介質，使用具有自愈功能的光端機，形成一主一備光纖通訊環。萬一某段站間通訊鏈路中斷，備用環可以在30ms之內恢復網絡通訊。當通訊鏈路恢復正常，備用環又可以自動地切換到主環。主備環之間的切換都由設備自動快速地完成，這就是所謂的“自愈式”功能。光端機配置了自適應以太網通訊口，與以太網設備進行通訊，它的主要作用就是將電子信號轉換成光信號，并且保證系統主干通訊的正常運行。

4 結束語

冗余自愈是工業以太網演變的一個重要方向，冗余自愈技術增加了系統設計的難度和用戶的投資，但這種投資換來了系統的可靠性，它提高了整個用戶系統的無故障運行的時間，縮短了故障修復的時間。具體應用時需根據工業現場的環境和要求，對相關的利弊關系進行認真分析，再確定是否采用冗余自愈技術。

［1］ 李繼容，鮑芳，何湘初.以太網在工業自動化領域的應用及研究［J］.計算機應用研究，2002，(9).

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

［3］ 張帆.冗余系統在網絡設計中的應用［J］.網絡安全技術與應用，2007，(12).

［4］ 李航，劉西洋，陳平.自愈系統構架構建方法研究［J］.系統工程與電子技術，2007，(2).

［5］ 陳山枝.寬帶網絡的自愈技術［J］.數字通信，1995，(1).

［6］ 郭軍.網絡管理［M］.北京:北京郵電大學出版社，2001.