冗余在自动化领域的应用-WhyIndustrialE

冗冗冗余余余在在在自自自动动动化化化领领领域域域的的的应应应用用用介绍对很多工业和商业信息备份系统来说，冗余是目前昀热门的话题之一。特别是越来越多具有以太网接口的工业设备出现。事实上，随着工业自动化的硬件和软件的快速发展，需要管理员在网络监视和管理方面考虑的昀多的就是，不同种类的如何在一个不稳定的环境内备份系统的要求。在这篇文章里，我们将讨论不同种类的冗余方案的恢复要求。保持冗余的软硬件工作在可信赖和昀佳的性能下。这种技术所涉及的冗余方案也会被考虑。z工业自动化领域的以太网冗余应用电源冗余线路冗余网络节点冗余网络冗余全系统冗余z为工业自动化领域的以太网络构建100％可靠的冗余结构时需要考虑的问题z选择传输媒介时需要考虑的问题z总结冗余以太网在工业自动化领域的应用在详细介绍工业自动化领域的控制系统的对冗余的要求之前，我们必须明白在企业骨干网和交换机之间建立双份连接是必要的。当然，在很多设备层还没有任何的冗余应用建立，通常是因为为了节约资金而没有建立冗余，控制不严格和容易发生灾难。在下面的章节中，我们将重点放在自动化控制冗余中昀实用、有效和重要的部分。电源冗余和办公自动化“舒适”的环境不同，应用在工业自动化的控制系统必须要经受恶劣环境的考验。因此，对控制系统来说昀基础的冗余要求是通讯网络的每一个部分都应该是在电源失效时能够连接到备份电源。电源备份就是当电源失效时能够立即简介到备份电源，将系统停机带来的损失尽可能的减少。P1DIN-Rail+24VPowerSupplyPWR1P1DIN-Rail+24VPowerSupplyPWR1WhitePaperPage：1/10此外，系统硬件至少应该与非标准的直流电兼容和具有电源反接保护能力。下面我们将有讨论，电源失效时将报警发送给网络管理员的昀常用的两种方式——通过e-mail或者继电器输出报警。继电器输出报警当电源输入中的一路失效时，继电器将会立即向管理员发送报警信息。P1通过E-mail发送异常报告当异常的事件被检测到，系统会立即发送一份带有警告信息的E-mail给管理员。.交换机事件端口事件冷启动热启动连接正常电源开/关认证失败连接失败拓扑改变配置改变流量过载…..Warning介质冗余介质冗余，当网络的一部分线路出现故障时能够具有一条备份路径，是自动化应用昀基本的要求之一。介质冗余昀近技术发展是IEEE802.1D生成树协议（STP,SpanningTreeProtocol），使用在以太网环网中，具有备份路径。在以太网发展的早期，因为以太网网络不允许形成环路，不能建立以太网环DIN-Rail+24VPowerSupplyBack-upPowerSupplyPWR1PWR2RelayOutputP1DIN-Rail+24VPowerSupplyBack-upPowerSupplyPWR1PWR2RelayOutputRelayOutputPage：2/10网拓扑。此外，在自动化领域使用双星形拓扑构建网络已经是可行并且可靠性也是能够满足要求，但是相对费用要求也比较高。IEEE802.1D做的是，将网络中的一台交换机定义为”rootswitch”，自动把网络中冗余路径的包阻塞掉。当网络中的某条路径从网络中断开时，STP协议能够自动从新调整环网，使用备份路径进行通讯。冗余环网的实际拓扑（具体哪条路径会被闭塞），是由环网中交换机的数目决定的。尽管IEEE802.1DSTP已经解决了以太网拓扑的一些局限，但在一些地方仍然存在着局限，包括回复速度慢、交换机数目限制、VLAN灵敏度，以及连接障碍（带宽小于所有流量）。基于以上原因，IEEE提议了新的冗余协议-802.1WRapidTreeProtocol（RSTP）。IEEE802.1W协议继承了IEEE802.1D的的所有优点，而且提供了更高的性能。IEEE802.1W修正了一些属性，例如RSTP桥的混乱和重复。RSTP能够与STP协议兼容，开始时会有3秒的迁移延迟。RSTP能够降低物理媒介在信号丢失时的收敛时间，因此,许多以太网设备商正在开发的协议根据802.1W在工业自动化中。由Moxa提出最近加入这个协议的MoxaTurbo圆环,。在20个结点与120个设备满负载的情况下，可以在300ms的时间内恢复。RingMasterRingMasterRingMasterRingMasterPage：3/10既然绝大多数对冗余时间要求比较高的应用的要求都是小于1秒，MOXATurboRing的确是一种昀好的选择。NetworkRecovery0.3SecondNetworkRecovery0.3SecondNetworkRecovery10SecondsNetworkRecovery10SecondsSpanningTreeAlgorithms(802.1D/802.1W)SpanningTreeAlgorithms(802.1D/802.1W)FastRedundantRing(MoxaTurboRing)FastRedundantRing(MoxaTurboRing)01530450153045NetworkRecovery0.3SecondNetworkRecovery0.3SecondNetworkRecovery10SecondsNetworkRecovery10SecondsSpanningTreeAlgorithms(802.1D/802.1W)SpanningTreeAlgorithms(802.1D/802.1W)FastRedundantRing(MoxaTurboRing)FastRedundantRing(MoxaTurboRing)01530450153045此外，在长距离的应用中，采用环形拓扑的介质冗余方式也可以减少布线成本。在很多应用，例如风电站的监控和管理，风电站间的距离非常的长。但是采用环形拓扑，您就可以相当多的布线成本，使布线更加经济有效。StarTopologyCablingRingTopologyCablingCentralController500m500m500m500m15km15kmCentralController500m500m500m500m15km15km15km15km15km15km15kmCentralController500m500m500m500m15km15km15km15km15kmCentralController500m500m500m500mPage：4/10CableLength=15+15+15+15+15=75kmCableLength=15+15+0.5+0.5+0.5+0.5=32km网络节点冗余。在介质冗余成功应用到工业以太网络之后，出现了一个新问题，就是如何在整个控制系统中包含每一个点。基于这个原因，连接到关键设备的交换机同样需要双网络节点，其中的一台称为第二以太网交换机。这两个网络节点应该连接到一个双宿主控制器上。为了在网络灾难发生时系统能够正常的运行，带有两个以太网接口的控制器需要连接到两台冗余交换机，而且具有选择合适路径的能力，必须同特定的关键终端设备建立连接。在这种情况下，使用冗余交换机的成本应该比购买一台确实完全的网络交换机要低。在网络故障发生时，部分关键系统仍然可以运行。Page：5/10PrimarySecondaryHMIControllerDBServerRedundantEthernetSwitchTemperatureMonitorPLCPrimarySecondaryHMIControllerDBServerRedundantEthernetSwitchTemperatureMonitorPLC每个节点代表一台交换机，这种情形下冗余的交换机都必须连接到同一台关键设备。这就意味着并不是系统中的所有设备都必须连接到冗余的交换机，主要是出于成本方面的考虑的原因。此外，是否需要网络节点冗余取决于每个工业自动化应用的实际需要。网络冗余在网络灾难发生时，公司经常会受到巨大的损失。因为这个原因，工业自动化领域的网络管理员需要建立一套百分百可信赖的网络，在突发事件发生时，所有的网络节点都可以持续的工作。介质冗余成功实现后，网络节点冗余能够更好地降低系统的停机时间。如果每个节点都需要冗余，就需要考虑一种更先进的以太网冗余方式，就是两套完全独立的网络，终端设备的两个通讯端口分别连在两套网络上。有两种方式可以使连接的设备获得两个通讯端口，如果您的设备已经具有两个以太网端口，您可以标记他们为端口A和端口B；如果您使用的设备只有一个以太网端口，设备需要升级到两个以太网端口，目的是为了能够确定主要和次要的引导路径。网络上的控制器确定传输数据需要的昀安全的路径应该是无障碍和透明的。Page：6/10正常的控制流MainBackupControllerEthernetbasedDeviceEthernetbasedDeviceMainBackupControllerEthernetbasedDeviceEthernetbasedDevice网络故障MainBackupControllerEthernetbasedDeviceEthernetbasedDeviceMainBackupControllerEthernetbasedDeviceEthernetbasedDevice网络冗余的底限就是，在网络灾难发生时，能够替换故障的网络。意思就是尽管很多的故障出现，网络仍然能够持续工作。Page：7/10全系统冗余尽管从预算和空间限制方面考虑，您可能决定不对网络上所有设备建立冗余，但是了解如何构建一套全系统冗余也是非常有益的。一个完整的全系统冗余包含冗余的交换机、冗余通讯端口以及冗余的设备，所有的以太网设备和工作站都连接到两套独立的环形网络上。根据环境的要求，有两种情况适合这种冗余应用。一种情况是，使用的设备具有两个端口，一个端口用于主要路径，另外一个端口用于第二路径。另一种情况是使用的设备只有一个端口，这种情况下设备必须升级到两个以太网端口，目的是连接主要路径和第二路径。全系统冗余可以组建一个非常可信赖的网络，昀小化数据丢失和具有快速恢复时间。双宿主控制必须能够识别哪个以太网设备是活动的—主路径或者第二路径。这种诊断方式可以确保活动的设备可以获得全部功能和准备好随时接管。IEEE802.1p/Q可以执行很大范围的诊断，持续跟踪网络的状态和弥补整个网络。很多不同厂商的现场总线设备在网络上每个周期之间交换诊断信息，服务于活动期。这些设备通常可以获得整个网络的整体状态，以便可以智能选择哪套网络、设备或者端口进行通讯。失败检测功能可以检测到延迟或者丢失和重复信息。通常控制流MainBackupEthernetbasedPLCEthernetbasedPLCControllerControllerEthernetbasedDeviceEthernetbasedDeviceMainBackupEthernetbasedPLCEthernetbasedPLCControllerControllerEthernetbasedDeviceEthernetbasedDevice网络故障MainBackupEthernetbasedPLCEthernetbasedPLCControllerControllerEthernetbasedDeviceEthernetbasedDeviceMainBackupEthernetbasedPLCEthernetbasedPLCControllerControllerEthernetbasedDeviceEthernetbasedDevicePage：8/10网络和设备故障从另一方面来说，网络控制应用的诊断可以检测故障，允许终端设备将信息通知给管理员。当冗余分布式管理时，集中化管理带来的网络流量大的问题就可以避免。通讯端口和冗余的设备以及对整个结构的冗余管理会选择一条昀合适的通讯路径，基于网段的健壮性。这种方式，尽管有比