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POWERLINK冗余技術

作者:作者:陳志平,貝加萊工業自動化 發布時間:2008-05-30

摘要: 過程自動化常常有總線冗余的要求,機械自動化(比如滑環)也有部分總線冗余的要求,實際的需求促成了EPL冗余技術的發展。

  ETHERNET POWERLINK(簡稱EPL)是一種高速實時以太網,它基于標準以太網硬件,甚至可以是標準以太網卡,通訊速度為100M,通訊距離為100米,通過光纖技術可延長到數十公里。
  ETHERNET POWERLINK(簡稱EPL)國際標準化組織EPSG(www.epsg.org)成立于2001年,2003年推出系列產品。截至2007年11月底,世界各地240多個OEM用戶在40000多臺設備上使用了EPL。EPL在全球有450多個成員、用戶和支持者。
  EPL現在的版本為V2(兼容V1),網絡刷新周期為50ms,數據傳送時間誤差小于1ms。EPL每1ms可以刷新1000個數據點(其中40%為模擬量點)?;?000M的EPL產品正在研發中。
  過程自動化常常有總線冗余的要求,機械自動化(比如滑環)也有部分總線冗余的要求,實際的需求促成了EPL冗余技術的發展。
  EPL基于標準以太網硬件,因此EPL可采用標準以太網冗余技術:環網、雙環網、主干冗余。另外還有針對EPL的線路選擇器冗余技術。

  環網冗余
  以太網環網冗余協議主要有:改造過的快速生成樹協議、簡化的FDDI、簡化的彈性分組環RPR、以及各個廠家的自有協議。
  環網冗余結構分:單環冗余和雙環冗余。雙環冗余是對單環冗余的雙重化配置,冗余特性比單環更可靠。環網內各節點之間采用以太網或光纖。

  單環結構
  在過程自動化領域,我們常常在一個主CPU中插入一塊EPL主站卡,通過冗余網絡來擴展出多個EPL從站。當EPL網絡上出現3個以上的節點時,我們一般建議選擇單環網冗余。
  單環網的通訊介質可以是標準以太網,也可以選擇光纖,這要視實際要求而定。節點之間距離比較遠(比如大于100米) 或者環境電磁干擾很強(比如風電機艙內)時,系統可靠性比成本更要優先考慮,一定要使用選用光纖。如果所有EPL節點在一個配電間內,選擇環網已經足夠。
  在一個環網內,數據從一個節點沿缺省方向向另一個節點傳送。如果中間某段網絡斷了,沿該方向無法將數據發到該段網絡后面的節點上,網絡系統檢測到這種情況后,自動會將該段網絡后面節點所需的數據從另外一個方向傳送,網絡系統會紀錄每次通訊狀態,下一次通訊將沿用上次成功的通訊路徑。
  要特別注意的是,環網交換機的切換時間必須足夠快才行,老式的環網交換機切換時間在300ms,不能用于EPL網絡冗余,新的環網交換機切換速度可以做到20ms,可以用于一般過程控制領域,而且在EPL主站上要設置足夠長的容忍時間。

  單環結構
單環結構

  雙環結構
  在一些過程自動化中,網絡節點數大于3個,而且系統要求網絡的可靠性非常高,這時可用第3方環網交換機來構建一個雙環網。
  雙環網中每個節點有兩個環網交換機組成,分別負責A網和B網通訊,每個節點內的兩個環網交換機之間有通訊電纜連接。
  不同節點之間的通訊介質可以是標準以太網電纜,也可以是光纖,標準以太網電纜的優點是成本低,缺點是通訊距離短;光纖的優點是抗電磁干擾強,傳送距離遠(幾公里~幾十公里),缺點是成本高、施工難度大。

雙環結構
雙環結構

  雙環網中A、B兩個網絡具有單環網特性,每一個節點內的A網和B網之間有跨接通路。
  標準情況下,數據從 “源節點“到“目的節點”的通訊用一個缺省網完成,基于單環網的工作原理,即使A中某一段網絡出現故障業可以完成。
  當某節點損壞一個A網交換機時,連接該交換的節點和A網的通訊路徑變為不可用,網絡系統會試圖從該節點的B網交換機來和網絡上其它節點通訊。
  當某個節點損壞一個A網交換機,而另外一個節點損壞一個B網交換機時,數據就從B網和A網之間傳送,通訊的路徑是經過動態優化的。
  由于每個交換機都會紀錄該次成功通訊的路徑,下次通訊將會沿用上次成功的路徑。遇到網絡故障時,網絡路徑重新選擇需要一定延時,因此EPL通訊設置中,容忍時間必須大于網絡系統恢復過程所花的時間。這個時間一般在10ms左右,因此只能作為常規控制用,不能做電廠SOE等高速處理用。

  非環網結構
  線路選擇器技術 

如圖3

  該網絡技術采用鏈路層HUB來構建2個網絡A網、B網。每個節點通過線路選擇器用2根EPL電纜,分別接入A網和B網。
  由于采用數據鏈路層HUB,線路切換時間可以達到?s級。可以用在電廠SOE等高速采集場合。
  每幀數據從節點出發,同時發送給A網和B網。任何時候,數據在兩個網絡上事相同的。
  每個節點的線路選擇器(圖中AC810或BC8084內置式)每50?s檢測一次2個EPL網絡的信號質量。
  如果線路選擇器評估出兩個網絡的通訊質量一樣,該節點就用缺省網絡(或上次所用網絡)和其它EPL節點通訊。
  如果線路選擇器發現一個EPL連接的通訊質量好于另外一個EPL連接,該節點就從數據質量好的網絡發送和接收數據。

  主干網絡冗余

如圖4

  在兩個節點之間同時有多根EPL電纜(通常為2根,也可以是多根)。
  正常的操作中,兩個設備之間的數據分成多個數據流,分別從不同的EPL上通過,增強了網絡的吞吐量;當一根EPL網絡斷開,兩個設備之間的數據全部從剩下的EPL連接上通過,保證了網絡的通訊正常。線路恢復時間在毫秒級。

  幾種網絡冗余技術比較
  自愈速度:從網絡自愈(或切換)速度看,線路選擇器冗余技術速度最快(10?s級);其次是主干網絡冗余,在毫秒級;環網(單環、雙環)冗余在幾十毫秒級。
  魯棒性:從網絡魯棒性看,最可靠的是雙環網,它相當于四重冗余;其次是線路選擇器和主干網絡冗余,線路選擇器的網絡負荷幾乎沒有變化,主干網絡冗余在網絡修復階段網絡負荷波動比較大,項目設計時要考慮到;單環網的時滯產生在自愈階段,項目設計時應充分考慮。
  經濟性:單環網和主干網絡冗余的經濟性最好。需要特別指出的是,主干網絡冗余采用串級連接方式,適合于只有2個節點的網絡,多余2個節點宜采用單環冗余。然后就是線路選擇器冗余,它的冗余工作在線路選擇器中完成,對A、B兩個網絡的構建沒有太多的智能要求,可以選擇任何鏈路層HUB。雙環網冗余要求的環網交換機多,價格較高,只有對可靠性要求特別高的場合才用,實際情況下用的不多。
  不同場合的選擇:綜上所述,對于要求速度很快的應用,一般選擇線路選擇器技術;一般過程自動化項目,選擇單環網技術即可;主干網絡冗余技術更多的用在增加網絡帶寬的應用上;只有對網絡系統可靠性要求很嚴格的才采用雙環網冗余。

社區公告

貝加萊是一個總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機構的創新驅動型自動化企業,2017年7月,貝加萊成為ABB集團的一個業務單元。作為全球工業自動化領域的領導者,貝加萊融合了前沿技術與先進的工程能力,為各個產業客戶提供機器與工廠自動化、運動控制、HMI以及集成安全技術的完整解決方案。貝加萊保持持續的創新精神,為客戶提供更為簡化以及超出預期的工業自動化領域前沿技術與方案。

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