（物理电子学专业论文）以太网技术应用于工业现场总线时的高可靠性与实时性研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 现场总线是当今自动化领域的一项重要技术，在各种工业现场控制中扮演着 及其关键的角色。由于以太网技术发展迅速并日趋成熟，同时它也很好地克服了 原有现场总线自身的一些缺陷，因而就有了以太网在工业自动化现场总线领域的 应用研究。 本文在以太网应用于现场总线时的可靠性和实时性上进行了较为深入的研 究，提出了解决这两个问题的一些方法。在高可靠性方面，提出了冗余管理器的 概念，在它的基础上形成的几种以太网环网结构，可以满足不同层次的可靠性要 求；在实时性方面，对传统以太网加以改进，采用了交换技术、高速以太网技 术、全双工端i i l 交换的方式、优先级标志技术、虚拟网技术等新技术。然后，根 据工业现场总线的实际情况，分情况模拟了在以太网i a 系统中传输实时以太网 帧，同时对得到的数据进行了分析，并由此得出结论，实时性以太网是可行的。 【关键词】 现场总线工业自动化以太网可靠性实时性 浙江丈学硕士学位论文 a b s t r a c t f i e l d b u si so n eo fi m p o r t a n tt e e h n o l o g i e so fa u t o m a t i z a t i o nf i e l d 。 a n di ta l w a y sp l a y sak e yr o l ei na 1 1k i n d so fi n d u s t r i a lf i e l dc o n t r 0 1 i nt h eo t h e rs i d e ，e t h e r n e tt e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l y a n d i t ss o m ec h a r a c t e r so v e r c o m es o m el i m i t a t i o o so fo r i g i n a lf i e l d b u s s o t h e r ea r el o t so fr e s e a r c ho ne t h e r n e tt e c h n o l o g ya p p l i n gt of i e l d b u s d o m a i n t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c hi nt h eh i g h a v a i la n dr e a l t i m e c h a r a c t e ro fe t h e r n e tw h e ni ta p p l i n gt of i e l d b u sd o m a i n i nh i g h a v a i l ， m a d eac o n c e p to fr e d u n d a n c ym a n a g e r ，a n dp u tf o r w a r ds o m ee t h e r n e t r i n gs t r u c t u r e so nt h eb a s eo fi t 。w ec a nf i n dt h e s em e e td i f f e r e n t l e v e l so fa v a i lr e q u i r e m e n t i nr e a l t i m e ，i tm a d eg r e a ti m p r o v e m e n to n t r a d i t i o n a le t h e r n e t a d o p t e ds w i t c ht e c h n o l o g y ，h i g h s p e e de t h e r n e t ， f u l l d u p l e xp o r ts w i t c h ，d a t ap r i o r i t i s a t i o n ，a n dv l & nt e c h n o l o g y l a t e r ， b a s i n go nt h er e a ls i t u a t i o no fi n d u s t r i a lf i e l d b u s ，i td o e ss o m e s i m u l a t i o n s f r o mt h er e s u l to ft h e s e ，w ec a nf i n do u tr e a l t i m e e t h e r n e ti sd o a b l e k e y w o r d 】 f i e l d b u si n d u s t r i a la u t o m a t i z a t i o n ( i a ) e t h e r n e t h i g h a v a i l r e a l t i m e 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1现场总线简介 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计 算机局域网。它的出现，标志着工业控制领域又一个新时代的开始，并对该领 域的发展产生重要影响。 1 1 1什么是现场总线 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多 节点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具 有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把 多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现 场的多个微机化测量控制设备之间以及与远程监控计算机之间，实现数据传输 与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分 散的测量控制设备变成了网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可相互 沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来的 变化，正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用发生 的变化。现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系 统，加入到信息网络的行列。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理与计算 机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发 展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流 的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以 及系统外外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个 企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在_ i = 业现场环境运 行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络完成现场自动化 设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息 浙江大学硕士学位论文 交换。现场总线就是在这种需求的驱动下应运而生的。它作为过程自动化、制 造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产 过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系，为彻底打破自动化 系统的信息孤岛创造了条件。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它 作为智能设备的纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络 系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报 警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感 器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。 图1 一l 现场总线网络示意图 1 1 2 现场总线的特点 现场总线的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一 对一的设备连接，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控 浙江大学硕士学位论文 制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一 的物理连接。 由于采用了智能现场设备，现场总线系统能够把分布式控制系统处于控制 室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力， 因而控制系统功能能不依赖控制室计算机或控制仪表。直接在现场完成，实现 了彻底的分散控制。从长远来看，它适应了工业控制系统向分散化、网络化、 智能化发展的方向。 现场总线采用数据信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信 号( 包括运行参数值、多个设备状态、故障信息) ，同时又为多个设备供电：现 场设备以外不再需要模数、数模转换部件。这样就大大简化了系统结构，节 约了硬件设备，节约了连接电缆以及各种安装、维护费用。 现场总线系统的技术特点 现场总线系统在技术上具有以下特点： 1 系统的开放性开放性是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的 共识与遵从。一个开放的系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标 准的其它设备或系统连接。通信系统协议一致公开，各个不同厂家的设备 之间可实现信息互换。现场总线的目标就是构建自动化领域的开放互连系 统。 2 互可操作性与互用性互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息 传递与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现互相 替换。 3 现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理 与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的 基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 4 系统结构的高度分散性现场总线已构成一种新的龛分散性控制系统的系 统结构。从根本上改变了现有的d c s 集中与分散相结台的集散控制系统体 系，简化了系统结构，提高了可靠性。 5 对现场环境的适应性工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总 线，是专为现场环境设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红 浙江人学硕卜学位论文 外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通 信，并可满足本质安全防暴要求等。 1 1 3 几种有影响的现场总线技术 自2 0 世纪8 0 年代以来，几种有影响的现场总线技术有：基金会现场总 线、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 、h a r t 等等 1 2 以太网简介瞳1 1 2 1 什么是以太网 以太网是最早的局域网，也是目前最常见、最具有代表性的局域网。核心思 想是使用共享的公共传输信道，来源于夏威夷大学的a l o h a 无线网络。最早的以 太网是由美国施乐公司( x e r o x ) 建立的其灵感来自“电磁辐射是可以通过发光 的以太来传播的”，这也是“以太网”的名字的由来。以太网逐步标准化后形成 了8 0 2 3 协议规范。以下是以太网的一些基本概念： 粗缆以太网i o b a s e 一5 含义；1 0 表示信号的传输速率为l o m b s ，b a s e 表示传 输的是基带信号。5 表示每段电缆的最大长度为5 0 0 m 。 网络组成：网卡、中继器、收发器、收发器电缆、粗缆( 5 0 欧姆、0 4 英寸 的同轴电缆) 、n 系列阴连接器、n 系列桶型连接器、n 系列端接器。 5 4 3 2 1 网络标准：5 一最多有5 个网段且干线总长最大为2 4 6 9 m 。4 - 最多连 4 个中继器。 3 一其中3 个干线段上连工作站，一个干线最多1 0 0 个工作站，中继 器相当于一个工作站，干网的每一端均需5 0 欧姆的端界器，其中一个必须接地。 2 一有两个网段只用来扩长而不连任何工作站，1 - e h 此组成个局域网，工作站到 收发器最大距离5 0 m ，收发器最小间距2 5 m 细缆以太网i o b a s e 一2 ：与粗缆以太网比，连接站点不需要使用收发器，但干 线的长度只有9 1 0 m 。网络组成及网络标准与粗缆以太网略有区别。 细粗同轴电缆混合网络：使用的硬件与各自单独进行网络连接时所用的网络 硬件相同，只是需要一种细粗同轴电缆转换器。网络最大长度：收发器为3c o m 情况下3 2 8 x + y l o o o m ，收发器为其他型号情况下：3 2 8 x + y 5 0 0 m 。( x 为细缆的 最大长度，y 为干线电缆的最大长度) 浙江大学碗_ l 学位论文 双绞线以太网i o b a s e t ：i e e el o m b s 基带双绞线标准。 网络组成：网卡、集线器、双绞线、分线模块连接电缆。 网络标准：使用非屏蔽双绞线，使用r j 一4 5 连接器，1 、2 针用于发送，3 、6 针用于接收，从收发器到集线器的距离最大l o o m ，无需使用网桥在网络上连接最 多1 0 2 3 个工作站。 1 2 2 载波监听多路访问冲突检测技术( c s m a c d ) 在以太网中，总线的使用方式是共享传输介质。最常用的方法是当某一用户 需要传送信息时，就与网络中的其他用户竞争，以达到占用传输介质的目的。这 种网络竞争技术的成功与否在很大程度上取决于检测网络是否空闲的算法以及当 两个不同节点同时发送的分组发生碰撞时所用的中断传输的方法。而c s m a c d 是 以太网最典型的技术。 c s m a 的控制方案是这样的，先听后发，工作站在每次发送前，先侦听总线是 否空闲，如发现已被占用，便推迟本次的发送，仅在总线空闲时，才发送信息。 介质的最大利用率取决于帧的长度和传播时间，与帧长成正比，与传播时间成反 比。共有它三种退避算法： a 、不坚持c s m a ，发送信息前先侦听总线，如果介质空闲则发送，介质是忙 的，等待一段随机时间重复上述步骤。 b 、卜坚持c s m a ，如果介质空闲则发送，介质是忙的，继续监听直到空闲， 立即发送，如果发生冲突，则等待一段随机时间重复上述步骤。 c 、p - 坚持c s m a ，是一种折衷的算法，如果介质空闲则以p 的概率发送，而以 ( 卜p ) 的概率延迟一个时间单位，如果介质是忙的，继续监听直到空闲，重复第 一步。在此算法中要注意p 值的大小为n * p ( 1 ，p 值过小，通道利用率会大大降 低，过大则冲突不可避免。 c s m a c d 是为提高总线的利用率的一种c s m a 改进方案。它的具体过程是，使 各站点在发送信息时继续监听介质，一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总 线发串阻塞信号，通知总线上的各站点冲突己发生。二进制指数退避算法：重 发时间均匀分布在0 tb e b 之间，t b e b - 2 ll ( 2 a ) ，a 为端端的传输延迟，i 浙江入学硕士学位论文 为重发次数。该式表明，重发延迟将随着重发次数的增加而按指数规律迅速地延 长。 1 3 以太网技术应用于工业现场总线 1 3 1 以太网技术应用于工业现场总线的必要性 企业信息化的发展，迫切需要一个开放的、统一的、有效的、并且具有 较强可持续发展能力的网络通信平台来支撑。目前企业决策管理层网络基本 己被商用以太网所垄断，在工业控制系统监控层通信领域，以太网的应用也越 来越广泛。 而现场设备级的通信网络主要是八十年中期开始发展起来的现场总线 ( f i e l d b u s ) 网络。虽然现场总线具有全数字化双向通信、传输精度高、可靠 性好、开放性好、可互操作、功能强和维护方便、成本低等优点，但它仍具有 很大的局限性：各种现场总线之间不能实现互可操作，没有实现真正的全开 放：同时，基于现场总线的现场设备与基于以太网的管理层、监控层设备之间 不能实现互操作，没有实现真正的全开放。图卜l 所示就是典型的传统现场总 线网络。 与工业现场总线技术相反，以太网( e t h e r n e t ) 技术在没有任何标准化组 织支持的情况下却发展得非常迅速，技术也日渐成熟。与各种专用现场总线相 比，以太网具有以下优势优势。 ( 1 ) 应用广泛 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络，受到广泛的技术支持。几乎所 有的编程语言都支持e t h e r n e t 的应用开发，如j a v a 、v i s u a lc + + 、v i s u a l b a s i c 等。采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选 择。 ( 2 ) 资源共享能力强 随着i n t e r n e t i n t r a n e t 的发展，以太网已经渗透到各个角落，网络上的 用户，无论处于什么地方，也无论资源的物理位置在哪里，都能使用网络中的 程序、设备和数据。也就是说，用户使用千里之外的数据就象使用本地数据一 浙江大学硕士学位论文 样，它解除了资源“地理位置上的束缚”。以太网这种强大的资源共享能力是 目前其他任何一种现场总线都是无法比拟的。 ( 3 ) 成本低廉 由于以太网的应用最为广泛，它也受到硬件开发与生产厂商的高度重视与 广泛支持，因此可以有多种硬件产品供用户选择，而且硬件价格也相对低廉， 目前以太网网卡的价格中只有p r o f i b u s 、f f 等现场总线的十分之一，并且会随 着集成电路技术的发展，其价格也会进一步下降。另外，由于以太网已应用多 年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。 大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，从而可以显 著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。 因此，以太网不但基本垄断了商业领域的网络通信市场，而且在工业控制 系统监控层通信领域的应用也越来越广泛，已成为“事实上的标准”，并有直 接伸到现场设备层的趋势。 1 3 2 引入面临的困难 然而，由于自身的特点，目前商用以太网要应用于工业现场设备级的通 信，还面临些问题：如通信的实时性不能保证：商用以太网通信设备在可靠 性、可用性、安全性、网络管理、长距离通信等方面还不能适应工业现场环境 下的应用：对现场设备不能总线供电；设备的本质安全不能保证；连接到同一 网络上不同厂家设备之间不能实现互操作等等。 1 3 3 本文的目的 传统以太网是一种基于c s m a c d 的随机性网络，多个设备共享一定的带 宽，报文的发送具有很大的不确定性，现场设备与主控设备之间的数据交换不 能满足实时性要求，也不能保证现场紧急事件信息能够及时发送出去，并得到 及时处理。同时，传统以太网是一种廉价的网络方式，它的廉价性决定了自身 的可靠性很弱。而工业控制系统多是应用于大型企业中由于网络本身的脆弱 性而导致整个企业控制处于极不稳定状态，面临随时停工的危险。这些对于大 多数使用工业控制系统的企业来说，都是不可接受的。 高可靠性和实时性是以太网技术应用于工业现场总线时首当其冲需要解 塑垩查兰! 主兰堡堡奎 决的基本问题。本文在详细分析现有技术和标准的基础上，对这两个问题进行 了比较深入的研究并提出了相应的解决方案。 第二章以太网高可靠性的实现 2 1 本章涉及到的几个概念 2 1 1 高可靠性以及恢复性能( r e s i l i e n c e ) 国际数据公司( i n t e r n a t i o nd a t ac o r p o r a t i o n ) 将高可靠性定义为：当错 误出现时。数据不会丢失，并且系统能在一个合理的时间段内恢复，则这个系 统被认为是高可靠的。 办公自动化( o a ) 和工业自动化( i a ) 网络的无缝结合将会导致生产率的的提 高，以及有助于显著减少成本。由于智能可网络浏览设备、制造业执行系统 ( m e s ) 、计算维护管理系统( c 删s ) 、决策支持系统等等的投入使用，所必然导致 的信息爆炸将会促使传统的网络向工业网络靠近。 传统的现场总线网络所遵循的结构不可能实现0 a 与i a 的尢缝结合。今 天，大多数工业网络中使用的传统的多层次、分层的网络将不会支持分布式内 联网计算模型，而后者三年后将在i a 工业中占主导地位。实践告诉我们多层 次路径已经成为数据流的瓶颈。从连接在设备层的智能传感器以及其它设各中 获得的信息必须通过控制器、h m i ( 人机接口) 、或者p c 网关才能到达目标企业 服务器。 既然以太网已经成为商业计算的网络选择，它出现在工业网络的控制级也 应成为很好的事情。阻碍以太网用于实时控制环境的核心问题现在已经被新的 标准所解决。在速度和速率方而，以太网大大超过了那些高速现场总线，诸 浙江大学硕士学位论文 如：p r o f i b u s 和c o n t r o l n e t p r o f i b u s 最大传输速率是1 2 m b p s ，c o n t r o l n e t 是5 m b p s ，而标准的以太网是l o m b p s ，1 0 0 m b p s 的快速以太网正迅速替代它。 另外，以千兆以太网作为控制网络主干的设想也已经成为现实。 2 1 2i e e e8 0 2 1 d 标准生成树协议” 在一个网桥连接的局域网里。为了增强可靠性，必然要建立一个冗余的路 径，网段会用冗余的网桥连接。但是，在一个透明桥桥接的网络里，存在冗余 的路径就能建立一个桥回路，桥回路对于一个局域网是致命的。 生成树协议是一种桥嵌套协议，在i e e e8 0 2 1 d 规范里定义，可以用来消除桥 回路。它的工作原理是这样的：生成树协议定义了一个数据包，叫做桥协议数 据单元b p d u ( b r i d g ep r o t o c o ld a t au n i t ) 。网桥用b p d u 来相互通信，并用 b p d u 的相关机能来动态选择根桥和备份桥。但是因为从中心桥到任何网段只 有一个路径存在，所以桥回路被消除。 在一个生成树环境里，桥不会立即开始转发功能，它们必须首先选择一个桥 为根桥，然后建立一个指定路径。在一个网络里边拥有最低桥d 的将变成一个 根桥，全部的生成树网络里面只有一个根桥。根桥的主要职责是定期发送配置 信息，然后这种配置信息将会被所有的指定桥发送。这在生成树网络里面是一 种机制，一旦网络结构发生变化，网络状态将会重新配置。 当选定根桥之后，在转发数据包之前，它们必须决定每一个网段的指定 桥，运用生成树的这种算法，根桥每隔2 秒钟从它所有的端口发送b p d u 包， b p d u 包被所有的桥从它们的根端口复制过来，根端口是接根桥的那些桥端 口。b p d u 包括的信息叫做端1 3 的c o s t ，网络管理员分配端口的c o s t 到所 有的桥端口，当根桥发送b p d u 的时候，根桥设置它的端口值为零。然后沿着 这条路径，下一个桥增加它的配置端口c o s t 为一个值，这个值是它接收和转 发数据包到下一个网段的值。这样每一个桥都增加它的端口的c o s t 值为它所 接收的b p d u 的包的c o s t 值，所有的桥都检测它们的端1 3 的c o s t 值，拥有 最低端口的c o s t 值的桥就变为了指定的桥。拥有比较高端口c o s t 值的桥置 它的端口进入阻塞状态，变为了备份桥。在阻塞状态，一个桥停止了转发，但 是它会继续接收和处理b p d u 数据包。 浙江大学硕士学位论文 由于生成树协议算法不是对链路的实时监测和故障恢复，它需要一个重新 计算的周期才能恢复通讯链路重新计算期间( 3 0 s 6 0 s ) 交换机延迟数据发送。 一些厂商采用了一些生成树协议增强特性来缩短重新计算的周期，但仍然维持 在4 秒以上。 2 1 38 0 2 1 p q 标准” i e e e8 0 2 1 p q 同属于一个子集，它在传统的以太网帧头中加入了4 个字 节，其中8 0 2 i p 占3 位。8 0 2 1 p 延伸了8 0 2 i d 的协议，利用3 位优先级位可 以最多提供8 个优先等级。而8 0 2 1 q 利用v i ( v l a ni d e n t i f i e r ，虚拟网标识) 位识别传送的帧究竟属于哪一个虚网。v i 位共有1 2 位，最大可以支持的虚网 个数不会超过4 0 9 6 个。8 0 2 1 p q 的具体定义可以参见图2 - 1 。 l ； 太网鲠在加入8 0 2 1 q 字段之前和之后的沈较 【w c y 】d ” 啉e 罐旦嘲! ：! | p j 埔 1 4 b 一 k l c “t l r rw , t h8 0 2 ，i a 毫雄 董般 电蛄幢毒x _ j 竹此地蛙h 译电址 4 h 非记i t - 议措示 也t 鼠 1 v l n 蚌诅2 长度 搏议羹型h ? t 豳糍黧疆 。一一 “过 棒识报矢蚋起螬 目的j 邑m c 地址 茸m ( 地墟 h s i n df l 拉t 谊情王否包鲁斟曙i 事h 指示，i i ，妃屯鳗 怄瓤i “咕琏t i 示t 直帧冀t 咩十血忙一 指乖k 0 2 恃长度 图2 1 8 0 2 1 p q 的定义 2 2 停工与高可靠性 研究表明2 0 的停工事件是由与网络有关的错误引起的。生产过程中无法 完全消除停工的现象，但是我们可以采取措施来最小化它的影响，并小少储运 蛳虾蛩二 浙江大学硕i 一学位论文 损耗的风险。有两种基本技术用于防止计划外停工：避免出错，以及迅速恢 复。 “避免出错”用来防止错误的出现。它包括正确的步骤、人员、以及正确的 技术。而“迅速恢复”可以使由于损耗、或系统出现错误而产生的停工的时间 减至最小。冗余器件可以在出错时保持系统继续操作，而在线维修则可以使出 错器件在不产生进一步的停工的情况下被修复。 2 3 高可靠性系统的构成因素 i a 系统的能力取决于它最弱环节的能力。如果任何一个部件不够强壮，无 论是硬件、操作系统、网络、控制器、或应用程序，整个系统就会崩溃。 对网络最大正常运行时间的寻求促使我们关注高可靠性系统。不中断正常 运行地对系统进行维护和改进需要可靠技术、强劲支撑、以及灵活的底层结构 的牢固结合。 高可靠性不是仅仅由硬件提供，它必须通过建立、管理、以及规范才能实 现。网络中的高可靠性是建立在以下几个方面的： 1 ) 可靠性恢复能力 2 ) 易管理 3 ) 可支持 2 3 1 可靠性恢复能力 可靠性恢复能力是在技术层面上实现。它设计在产品中( 包括软硬件) ，可 以通过购买这些产品来获得。它还可以具体细分为：通信路径的可靠性恢复能 力、以及系统的可靠性恢复能力。 通信可靠性恢复能力实现路径的冗余性。网络可以设计成当检测到一条 特定路径无法传送数据时，能在一秒钟的时间内自动切换到备用路径。 今天，网络己经延伸到了非常底层的地方，比如i o 模块和控制器。网络 硬件将内部系统总线连到外界同时软件驱动程序也提供逻辑路径将数据送达 应用程序或进程。这种紧耦合集成系统和网络使得可靠性恢复能力成为工业自 动化供应商的设计考虑重点。对于高可靠性系统来讲，单个网络接口意味着单 浙江大学硕j 学位论文 点错误( s p o f ) ，它将会大大影响系统的性能。因此，提供具用冗余网络接口的 来实现高可靠性系统。 当冗余实现后紧接着考虑的问题是系统检测网络错误，及绕过网络错误 的速度。这个速度将决定网络中断是否会影响应用程序。通常来说，切换速度 与i s o 协议栈的分层有关。在光纤中，i s o 第一层检测到通讯中断并切换需要 的时间约为7l o o m s 。以太网第二层实现检测和切换的时间可以从4 m s 到 6 0 s 。第三层和第四层检测和切换所需的时间由t c p i p 协议的定时器配置决 定。在t c p i p 以上的应用和进程自身能隐性地管理恢复功能，这通过各自的供 货商的设计来实现。 恢复能力的特征 网络恢复能力是可升级的，由应用需求来决定网络恢复能力的级别。恢复 能力具备是需要投资的，因此我们将实现从没有恢复能力开始逐渐升级以应付 各种需求。 我们考虑将恢复能力分成几个级别，可以满足大多数的需求。恢复能力不 仅仅是网络节点和通信路径的一项功能。正如前面所讨论的，网络可以通过各 种接口和驱动软件进入与其相连各种系统，因此较高级别的恢复能力依赖于网 络设备和内部结构的组合能力。 2 3 2 易管理性 易管理性是高可靠性系统最令人关注的地方之一。在企业中，系统和网络 管理已经成为一个强有力、同时也是可升级的工具。供应商正慢慢地将重点从 私有、封闭式系统转移至基于新标准的开放式系统，这些新标准诸如：基于 s n m p 和w e b 的管理。 在今天的i a 网络中，管理和监控过程通过人机接口( h m i ) 实现。h m i 与供 应商有关，它提供了自己专门的管理接口。在这个环境中，s n m p 管理器作为一 个分离的、独立的系统来使用，与h m i 没有集成在一起。 为_ l i 业应用特殊设计的网络产品可以用来作为物理报警指示器。这些产品 的优点是能无缝地同现存的h m i 相集成以及无缝地控制网络管理应用程序。 浙江人学顺i 学位论立 未来，对基于s n m p 和w e b 的控制器、仪表、以及网络的管理的关注必将使 h m i 和网络管理平台集成在强大的管理系统中。 2 3 3 可支持性 可支持性包括预防性和反应性两个方面 预防性包括： 高可靠性设计 # 拓扑( 总线星型环形) 双自引导 # 冗余性( 光纤供电节点网络接口) # 热交换 # 在线诊断工具或软件用来在问题出现前将它处理掉 十系统鲁棒性 系统鲁棒性用来对付器件在特殊环境中的适应性。这涉及到系统本质安 全的问题，例如极高或极低的操作温度、或过大的电磁噪声影响通信路径的传 输特性。 反应性用来在错误出现时恢复可靠性，并在解决技术问题前重新获得系 统功能 从某些角度来看，高可靠性和用户的投资成一种比例关系：越不想冒停工 的风险、更长的正常运行时间，用户就越需要投资来减少这种风险。用户在安 装它之前必须深知风险，并清楚知道停工所将招受的损失。 沛j 、学f 州i 学似论迁 图22 冗余性的作用 2 4 高可靠性以太网解决方案 高可靠性以太网解决方案产品应该符合以太网标准8 0 2 3 ，技术特点包 括： 快速路径恢复；最大时间1 0 0 0 m s 多级别的冗余性；满足用户需求 双2 4 v d c 电源 距离可达4 0 k m 的单模光纤 可用于恶劣条件的健壮性设计 扩展的操作温度( o 一6 0 摄氏度，无风扇) 快速路径恢复的实现，我们采用“以太环网”的结构来，这是因为环结构 在许多传统的现场总线系统中用来提供网络路径恢复能力。但当以太网以一种 总线的结构来发送广播包，依次来解析所连设备的地址。如果形成一个环路， 以太网广播帧就会沿环路传送，最终极大影响网络性能。因此，需要在技术上 做进一步的处理，采用冗余管理器来完善以太环网。 冗余管理器是一种能够克服上面所讲的以太网结构缺陷的以太网交换机。 除了能完成标准以太网的所有交换功能，它连接传统以太网总线( 光纤或铜导线) 的两端，从而形成一条2 0 0 m b p s 的物理环路。虽然以太网总线被物理连接起 浙江大学硕士学位论文 来，但冗余管理器却从逻辑上中断它。导致的结果是广播帧不能形成环路，实 际上冗余管理器对于网络操作来说是十分透明的，它不影响网络传送数据的能 力。 图2 3 冗余2 0 0 m 控制网络 冗余管理器 图24 冗余管理嚣 逻辑上冗余管理器有两边，每边连续不断地绕着环路向另一边收发实时 诊断包。这些包发送时携带有标识符和8 0 2 1 p & q 标准的优先级标签。标识符用 于远端接受者操作，而高优先级允许帧通过任何符合8 0 2 1 p & q 标准的交换器所 在的路径。其结果是能在任何情况下实时报告网络的实际状态。 图2 5 冗余1 0 0 m 控制网络 当环路中出现故障时，例如一个节点或一条链路坏了，冗余管理器将继续 在两个端口发送包，然而，由于网络故障，诊断包无法绕着环路到达另一个端 口。冗余管理器的两边都能将这种诊断数据的丢失解释为网络故障( 图2 6 ) 。 图2 6 当检测到网络故障时，冗余管理器就在内部连接那两个接口。这将会使网 络回到完全操作状态。检测和网络修复过程将在2 0 - 3 0 0 m s 中完成，具体由环 路的大小决定。 浙江大学硕士学位论文 冗余管理器 图2 7 冗余管理器自动恢复功能 “以太环网”方案比8 0 2 1 d 生成树高效得多，同时，由于是对数据流进行监 控。它不仅保护两个交换器之间的链路，还能保护整个环路。环状结构比双总 线结构节省的成本也令“以太环网”显得经济可能。清晰高效的冗余结构也提 供了在不影响网络通讯情况下扩展网络的灵活性。 2 5 用以太网建立高可靠性的工业网络 按照传统对，i a 网络中恢复能力由网络的拓扑结构决定。拓扑结构的选择 则常常听命于供货商、以及一些影响因素( 如：长距离、环境条件、价格、性能 等等) 。因此常常不能如愿以偿地实现i a 网络的恢复能力，或足够的恢复能 力。 在i a 网络中使用以太网从根本上改变了这种情况。以太网不受供应商影 响，它能通过光纤传将信息送至很远的距离外，并能免受电磁噪声干扰。同那 些传统竞争者相比，以太网具有极大的价格及性能优势。同时，它的适用面 广，能够加入任何设计方案以满足应用和过程的恢复性需求而不必考虑对原网 络进行什么折中处理。当然，从一开始就将恢复性设计加入网络有额外的好 处，如：能灵活地扩展网络而不会导致停工。 2 6 高可靠性i a 网络设计的指导方针 以下的i a 网络模板可以用来令高可靠性网络的设计简单化和标准化。 2 6 1 同整个企业的集成： 浙江大学颈士学位论文 消息级别的l a n 交换应以双线的形式与企业骨干网连接，同时需具有可恢 复的路由。 2 6 2 介质选择： 当环境有约束条件( 电屏蔽、噪音隔离、安全性) 存在时，应该采用光缆作 为通信介质( 距离大于2 k m 时，采用单模光纤，否则使用多模光纤) 。 当距离小于l o o m 且没有环境约束时，用屏蔽5 类铜导线作为通信路径。 当采用扩频技术时，距离可以有较长的扩展。 2 6 3 拓扑结构选择： 拓扑结构的选择可以分为四种情况i ： 、当应用即使在发生两处故障情况下仍需要1 0 0 0 的可靠性时，采用双 环路以及双份自导引控制器和关键设备，如图2 8 所示： 蒿黔 端i 0 图2 8 双环冗余控制网络 、当应用需要在发生非单点处故障时保证1 0 0 的可靠性时，使用带 有双节点和双自导引控制器及关键设备的单光纤环路。如图2 9 所示 卸m 人学坝j 学伯论文 图2 9 双节点冗余控制网络 、当一个应用需要一条备用通信路径时，使用带单个自导引控制器和设备的 单环路。如下图所示： 图2 1 0 、不提供通信路径的恢复能力 浙汪人学坝l 学位论文 图2 1 1 无恢复能力控制网络 2 6 4 设备附件： 当部件支持控制器和关键设备时，应选择系统冗余性以保证1 0 0 的正常 运行时间，并且提供全双工交换以太网络连接。 当部件支持多h m t 时，对供电故障提供保护并存有备用电并提供以太 网络连接。其余情况提供备用设备 2 6 5 电源供给： 当部件支持事务紧急系统或多设备时，采用供电冗余。否则采用提供备用电 源实现。 浙江大学硕士学位论文 第三章以太网实时性探究 3 1 传统以太网不能用于实时领域的主要问题 以往，以太网的能力和实时工业应用和过程控制中确定性性能之间的 矛盾引起众多关注。那时，这些关注是非常可以理解的，特别是在上世纪 九十年代中期，以太网纯粹是一种共享型总线拓扑结构，使用总线仲裁来 管理谁能发送而谁不能发送。这种技术适用于办公自动化( o a ) 环境，因为 它性能良好，灵活，开销相对较低。但是，以太网不能用于实时应用和过 程控制这些普遍使用在工业自动化( i a ) 领域的东西。下图显示了以太网成 为实时网络前必须克服的一些问题和瓶颈： 图3 一l 传统以太网引入现场总线的后果 浙江大学硕士学位论文 总的来说，过去以太网不能用于实时领域的主要问题如下“1 ： ( 1 ) 带宽是共享的，而不是独占的 共享使得总线仲裁机制没有优先级概念 共享导致两个或两个以上设备同时发送数据时产生冲突 冲突会堵塞网络，阻止所有设备发送数据 同一网段的设备越多，将使冲突的可能性越大 ( 2 ) 大型广播域会耗尽所有可用带宽 ( 3 ) 没办法区分高优先级和低优先级业务 ( 4 ) 没法为实时业务提供低延迟路径 ( 5 ) 网速过低，数据传输性能低下 因此，传统的共享型以太网不可能实现实时性。 3 2 解决以太网实时性问题必须借鉴的新技术 随着科学的发展，许多新技术纷纷出现。在比较了许多新技术之后，我认 为对传统以太网进行改造，吸收可以利用的部分，就可以不断完善着以太网， 使之具备有实时性的可能。以下，我逐一介绍这些新技术，并在后面的部分提 出采用这些新技术后的新的以太网模型及特点。这些新技术包括了交换技术、 高速以太网技术、全双工端口交换的方式、优先级标志技术、虚拟网技术等。 3 2 1 采用优先级标志完成对事务的分类处理 交换机响应时间是一个以太网数据帧经过交换机所需的时间。数据帧要想 发送到第二个交换机就必须和其它网络业务一起在队列里排队，类似的这些帧 每时每刻都有数以万计。我们要处理的问题是需要把那些包含实时的或是高优 先级的帧从中挑出来，并让它们快点通过交换机和网络。这个过程就叫做数据 分优先级。 数据分优先级系统可分为内含式( i m p l i c i t ) 和外在式( e x p i c i t ) ”1 。对于 内含式q o s ，以太网交换机或整个网络根据管理者事先制定的标准自动分配服 务等级。这些标准如：应用类型、协议、源地址。每一个进来的数据包都将被 浙江大学硕士学位论文 检查，以确定是否符合某些特定的标准。内含式q o s 加入网络以提供分优先级 功能相对比较容易实现。例如，以太网交换机能依据虚拟l a n 、源或目的地 址、物理端口等进行优先级划分。有时，它也基于更高层次的信息如应用或 协议类型。出现策略机制的网络系统会带给以太网交换机更健壮的分优先级能 力。外在式q o s 可以由用户或应用选择特定的服务级别，而交换机和路由器则 尽力满足这些要求。i p 优先，也称作i p 服务类型( t y p eo fs e r v i c e ，t o s ) “。，以及8 0 2 1 p q ”。是目前最广泛应用的外在式q o s 两种技术。当然，随着需 求的不断增加，这个级别上的q o s 协议将会不断被开发出来应用于实际。 作为i p v 4 协议的一部分，i pt o s 在i p 包中保留了一个域用以指定延迟、 吞吐量、可靠性等服务属性。w i n d o w s 9 8 和n t 中新版本的w i n s o c k 允许管理者 使用应用程序设置这些域中的值。但由于多媒体软件中排斥使用，现在流行的 应用软件中支持i pt o s 的并不多。 资源预留协议( r e s 叫r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) 9 1 制定了自己的 信号机制来实现应用端q o s 要求同网络下层结构之间的沟通。同i pt o p 类似 r s v p 也没有被应用提供商广泛采用。虽然一些路由器和以太网交换机支持 r s v p ，但由于它自身的扩展性问题使得这个协议还不足以值得广泛使用。同 时。r s v p 还会产生明显的运行负载，从而导致全网络性的性能下降。 还有一种协议一特殊逻辑链路层综合业务( i n t e g r a t e ds e r v i c e so v e r s p e c i f i cl o g i c a ll i n kl a y e r s i s s l l ) 1 ，它指定了i p 体系的扩展允许 应用程序从i n t e r n e t 网络请求并接收一个特制的服务级别。另外，它定义了 r s v p 请求如何映射到以太网链路层优先权。 i e e e8 0 2 ，l p q 同属于一个子集，它在传统的以太网帧头中加入了4 个字 节，其中8 0 2 i p 占3 位。8 0 2 1 p 延伸了8 0 2 1 d 的协议，利用3 位优先级位可 以最多提供8 个优先等级。 浙江大学硕上学位论文 在可预见的未来，内含式q o s 似乎比外在式q o s 更流行一些。内含式q o s 在网 络基础构造不需要进行那么多处理，今天也很少有操作系统网络软件栈支持这 些特征。也正是这种简便一些的q o s 使得许多自动控制公司开始在改动它们自己 的应用之前，先行开发网络的q o s 能力。 3 ，2 2 采用全双工端口交换的方式避免总线冲突 每个交换端口连接一个设备有两个显著的优点。首先，这样可以取消总线 仲裁，并实现全双工操作。取消总线仲裁，设备就可以任何时候以导线速度收 发数据，这样就消除了冲突以及网络性能中其它的一些相关影响。其次，通过 提供互为隔离的收发路径，全双工将有效带宽加倍，传统以太网从l o m b p s 变为 2 0 m b p s ，快速以太网从l o o l b p s 变为2 0 0 m b p s 。这样就明显提升那些专用交换端 口的用户的性能。在早些时候，这是服务器或者交换机间连接的典型方法，而 现在，任何需要实时性的设备或带宽要求高的网络接入都可以用全双工连接。 3 2 3 采用高速以太网，突破瓶颈限制 就所有的网络拓扑结构来说，以太网需要面对扩展时所产生的问题。采用 一个高性能的集线器显然是非常好的，但当你的端口用完时，你需要增添第二 个、第三个集线器。将这些集线器连接起来，即使是2 0 m b p s 全双工，也仍然会 导致多个入端口竞争一个出端口或上行端口，这就是典型的网络瓶颈。 类似的情款也会发生在客户一服务器运算，当许多客户竞争相对少数的服 务器时。而今天我们碰到的更为现实的类似问题是企业内部网运算模式。在这 个模式中每台p c 机都是潜在服务器它们会在网络的任何地方突然间冒出来形 成非定性的业务发生形式。 对高速率的需求导致在标准以太网基础上产生了快速以太网，它的速率可 达全双工模式下1 0 0 2 0 0 m p b s ，是标准l o m b p s 以太网的十几倍。起初，快速以太 网用于交换机间或服务器间连接。后来自适应l o l o o m b p s 逐渐成为标准以太网 用户接口。现在，干兆以太网业已成为成熟的产品。它的使用将消除企业网中 客户一服务器以及以太