基于工业以太网冗余自愈技术的研究

王 华，任照富

（重庆电力高等专科学校，重庆 400053）

0 引言

随着网络技术和自动化技术的发展，以太网逐渐渗透到工业自动化领域，形成了工业以太网控制网络。作为连接工控系统的网络，工业以太网相当于工控系统的血管，承担工控数据上行下传的任务。工业以太网一旦发生任何中断和故障，整个系统都将停运，从而引发设备和人身事故。所以工控系统要求工业以太网必须长期、稳定和可靠地运行。冗余自愈是工业自动化网络体系架构的一个重要特点，它是自动化及先进制造对系统的可靠安全性、实时稳定性要求的结果。可靠性要求极为苛刻的环境如石化、冶金等，采用冗余与自愈技术能保证系统长时间、无故障地运行。因此，在工业网络系统设计和应用时充分考虑冗余自愈是非常必要的。

1 工业以太网

工业以太网之所以强调“工业”，主要是因为应用环境相对办公室环境来说比较恶劣，它要满足恶劣的工业现场环境中电缆和机械设备的连接要求［1］，如以太网交换机和路由器要能适应大温差、强电磁辐射等恶劣环境。

由于智能存储转发、冗余自愈、抗干扰和以太网供电等技术和应用的发展，工业以太网已经逐渐在技术上具备了“E网到底”的条件，许多新型控制器都提供以太网接口，目前的应用已经从管理层延伸到控制层，并逐渐向现场设备层发展，如图1所示。管理层是指企业的上层决策和管理;控制层主要负责将上层的控制命令与现场设备数据的读取;现场设备层指工厂的现场设备，主要现场设备数据的读取。

1.1 工业以太网的优势

与传统现场总线相比，工业以太网技术的优势在于:

(1)它是开放式、全数字化网络，采用相同协议的设备容易互联;

(2)方便与企业信息网络的无缝集成，真正实现企业的管控一体化，系统功能组态也简单化;

(3)软硬件资源丰富，成本低廉，用户对于设备的选择度更大;

(4)通信速度快，带宽、交换机等技术的发展促进了通信速率的提高。

1.2 网络拓扑结构

工业以太网中常见的拓扑结构有四种［2］:总线型结构、星型结构、树型结构、环型结构。总线拓扑结构因信号冲突频繁，信道利用率不高，速度慢、网络延伸性有限，现在很少在工业以太网中使用;星型拓扑结构具有结构简单、节点扩展方便、传输速度快等特点，应用比较广泛;树型拓扑结构容易扩展、故障隔离方便，但各节点对根节点依赖性较大;环型拓扑结构实时性好，传输控制简单，有简单的冗余功能，适用于对实时性要求较高的工业现场。

当前，在工业以太网中主要应用的还是星型和环型结构，基于安全可靠性和实时性方面的考虑，冗余双星型和冗余环型是主流的网络拓扑，而冗余环型网络更受用工业用户的青睐。

2 冗余与自愈技术

冗余就是增加多余的硬设备，以保证系统更加可靠、安全地工作。冗余是使若干同样装置并联运行，只有当组成系统的并联装置全部失效时系统才不工作［3］。

工业以太网主要的冗余方式有:链路层冗余、环网冗余和主干冗余(Trunking)。链路层冗余由于恢复速度慢，在很多工业环境中并不适用。环网冗余是使用环网提供高速冗余的一种技术，网络中断恢复在300ms以下;主干冗余是将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口，并建立连接，在交换机之间形成一个高速骨干链接，不但增强了网络吞吐量，也实现了冗余功能。它的网络中断恢复时间一般在10ms以下。主干冗余本身不是为工业网络研发的，它只是一种“假冗余”技术。因此在工业控制网络中多采用环网冗余方式。

自愈就是指网络在发生失效时，不需要人工干预，就能够很快采用另外的路由，以使系统运行不受影响或少受影响。自愈要求设备有冗余度和网络的智能性，以很快地交互网络诊断结果［4］。在光纤传输网络采用的自愈机制有［5］:自动保护切换(APS)、分布式故障恢复(DR)、自愈环(SHR)。

目前的环网冗余自愈协议有［6］:HIPER RING;TURBO RING;SUPREME RING;RAPID RING协议等。

采用冗余自愈技术后，网络在发生故障时表现出很好的弹性，系统运行不受局部故障的影响，而且在故障发生后较短时间内恢复，使整个工业控制过程不受影响。

3 冗余自愈在工业以太网中的应用

在工业以太网控制网络中广泛使用的环形以太网虽然提供了某种程序的冗余，但还是有很多单一失效点让一个或多个器件不能通信，而且网络设备的自我恢复能力不够理想，在环网中增加一个交换机时就需要断网，即必须将生产任务停下来进行设备扩展。这在追求高可靠性的石化、冶金等控制领域是不可接受的。

因此，在网络拓扑设计时必须考虑完全的冗余和快速恢复机制，即供电系统，网络设备、端口的全部冗余与网络的自愈恢复能力。如图1所示，在设备层和管理层均可通过物理冗余实现，而在网络层则采用自愈式双环网络实现。通过有效的冗余提升了控制系统的稳定性和可靠性。

图1 冗余自愈型网络结构图

3.1 供电系统的冗余

供电系统是保障控制网络能够正常工作的动力源泉，一旦电源发生故障，将会使整个系统陷入瘫痪状态，造成严重的后果。因此，要使系统能够安全、可靠、长期、稳定地工作，首先要确保控制网络稳定的供电。采用冗余电源能够保障充分、持续的电力供应，一般工厂的电力系统比较稳定，所以采用UPS作为备份电源。当电力出现故障时，UPS能够保证网络设备的供电。

3.2 网络设备冗余

在工业控制网络中，交换机和路由器、光端机等的快速发展极大地促进了以太网在工业自动化中的应用。要保证工业以太网络的稳定运行，必须保证节点的交换机或路由器的正常工作，采用支持冗余管理协议的网络设备，例如管理型交换机(Managed Switch)，它能自动判断最优传输路径和备用路径，当优先路径中断时自动阻断(Block)备用路径。随着工业网络对稳定性、安全性方面的追求越来越高，采用冗余功能的要求变得异常突出。

3.3 端口冗余

在工业现场，许多控制器需要点对点的进行通信，完成数据的上传下达。如果一个控制器的网络端口出现故障，将使监控系统无法获取重要参数信息，这对于操作员做出正确的判断是不利的。以太网口的全面冗余能够弥补工厂停产所增加的成本。

3.4 自愈式双环网络

在网络设计时，可以用EPA或Modbus TCP/IP等协议的工业以太网为主干网，结构上采用自愈环结构，以多模光纤作为通讯介质，使用具有自愈功能的光端机，形成一主一备光纤通讯环。万一某段站间通讯链路中断，备用环可以在30ms之内恢复网络通讯。当通讯链路恢复正常，备用环又可以自动地切换到主环。主备环之间的切换都由设备自动快速地完成，这就是所谓的“自愈式”功能。光端机配置了自适应以太网通讯口，与以太网设备进行通讯，它的主要作用就是将电子信号转换成光信号，并且保证系统主干通讯的正常运行。

4 结束语

冗余自愈是工业以太网演变的一个重要方向，冗余自愈技术增加了系统设计的难度和用户的投资，但这种投资换来了系统的可靠性，它提高了整个用户系统的无故障运行的时间，缩短了故障修复的时间。具体应用时需根据工业现场的环境和要求，对相关的利弊关系进行认真分析，再确定是否采用冗余自愈技术。

［1］ 李继容，鲍芳，何湘初.以太网在工业自动化领域的应用及研究［J］.计算机应用研究，2002，(9).

［2］ 周月明.工控系统中的工业以太网［J］.科技咨询导报，2007，(20).

［3］ 张帆.冗余系统在网络设计中的应用［J］.网络安全技术与应用，2007，(12).

［4］ 李航，刘西洋，陈平.自愈系统构架构建方法研究［J］.系统工程与电子技术，2007，(2).

［5］ 陈山枝.宽带网络的自愈技术［J］.数字通信，1995，(1).

［6］ 郭军.网络管理［M］.北京:北京邮电大学出版社，2001.