冗余网络在现场的应用

【前言】冗余网络在现场的应用由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。随着工业生产技术的发展，自动化控制程度越高，数据的实时采集和实时处理量越来越庞大。采用传统的物理硬件方式来传输信号的方式已经不能满足当今的需求。网络技术的深入应用与日臻完善，现场控制信息进入信息网络实现实时监控是必然的趋势。工业应用的迫切需求，是网...

摘要：工业应用的迫切需求是网络的不间断性，冗余网络在现场的应用保证了网络的稳定性和安全性。双冗余和三冗余系统各有优势。对比3种不同控制系统的网络冗余方式展示出网络技术在现场应用的飞速发展。

关键词：冗余网络；三冗余；双冗余；工业应用

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1672-7800（2012）010-0153-03

作者简介：程敏（1982-），女，武汉大学信息管理学院硕士研究生，研究方向为项目管理。

0引言

随着工业生产技术的发展，自动化控制程度越高，数据的实时采集和实时处理量越来越庞大。采用传统的物理硬件方式来传输信号的方式已经不能满足当今的需求。网络技术的深入应用与日臻完善，现场控制信息进入信息网络实现实时监控是必然的趋势。工业应用的迫切需求，是网络的不间断性。随着以太网在工业控制领域的广泛应用，国内外众多研究机构在网络冗余、容错方面做了大量的工作。各大自动化设备生产厂商也都纷纷提出了自己的网络冗余技术解决方案来提高工业以太网的可靠性。

武钢CCPP燃气蒸汽循环发电的现场网络系统由3种冗余控制系统通过冗余以太网络连接构成，是冗余网络在现场应用的典型例子。

1燃机Markvie系统的冗余方式

GE公司的Markvie系统由I/O总线，UDH（单元级数据网络）和PDH（厂级数据网络）三层网络构成。I/O卡件将现场采集的实时数据传输至控制器，经过控制器运算处理完成的数据通过单元级数据网络发送到其它控制器进行数据交换，同时处理完成的数据还会通过厂级数据网络提供给其它系统或HMI、打印机等外部设备。其结构方式如图1。

1.1I/O总线的冗余方式

I/ONET是基于ADL（AsynchronousDeviceLanguage）协议开发的数据通讯平台，它不对外界开放，是系统内部的I/O总线，即通常所指的I/OBUS。I/ONET作为I/O卡件和控制器之间通讯的网络，提供了最高达100MB通讯速度。可以选择单、双和三重配置，方便网络冗余的使用。

①单I/O卡件配置双冗余网络（Basicdualconfiguration）；②双I/O卡件配置双冗余网络（DualConfigurationwithI/OPackRedundancy）；③三I/O卡件配置三冗余网络（BasicTripleConfiguration）。

其配置方式如图2。

CCPP现场实际应用中，只有少量辅助的设备使用的是双冗余网络，其余全部使用的是3冗余网络，最大程度保证了数据通讯的安全、稳定性。

1.2控制器的冗余

Markvie系统的控制器采用三冗余配置，3个控制器同时接收实时数据，但是只有一台为主控制器。主控制器故障时，3个控制器按R、S、T顺序切换为主控制器。

1.3UDH的冗余

UDH网络是基于UDP/IP（UserDatagramProtocol/InternetProtocol）协议开发的数据通讯平台，它不直接对外界开放，只能通过服务器或PDH与外界通讯。其数据的传输标准为EGD（EthernetGlobalData）以太网全球数据协议。同PDH网络相同的是，也采用了广播式的通讯方式，CSMA/CD技术，32位CRC循环冗余校验的误码校验技术等。UDH网络提供不同控制器之间的点对点通讯接口和控制器与HMI之间的数据通讯接口，并通过10/100MBTCP/IPEthernet网络进行网络数据交换。UDH最多可支持10个节点，网络速度最大为100MB/s，相邻两节点间采用双绞线时最长可传输距离可以达到100m，采用光纤时则可达到2000m。

每个MarkVie控制系统的R、S、T3个控制器分别连接到两台网络交换机的UDH网上，同时向网络发送数据。两个网络交换机又绞接在一起，这样可以避免因某一个控制器或者一台交换机故障而造成数据中断。MarkVie系统没有传统意义上的网络模块，CPU上的数据直接通过网线传送到UDH网络。不同的MarkVie控制系统直接通过UDH网进行数据交换。

1.4PDH的冗余方式

PDH网络是GE公司基于TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）协议开发的数据通讯平台，是一个对外界（如：DCS）开放的网络系统。其通讯方式为广播式，具有载波监听、多路访问/碰撞检测CSMA/CD（CarrierSenceMultipleAccess/CollisionDetection）功能，允许共享一条传输线的多个站点随机访问传输线路，各站点平等竞争，使用32位CRC（CyclicRedundancyCheck循环冗余校验）的误码校验技术。PDH网络提供了一个与其它平台设备通讯的网络接口，并通过10/100MBTCP/IPEthernet网络进行不同平台之间的网络数据交换。PDH网络速度最大为100MB/s，最多允许接入1024个接点，相邻两节点间采用双绞线时最长可传输距离可以达到100m，采用光纤时则可达到2000m。PDH网络提供了多种通讯协议可供选择，包括EthernetTCP/IPGSM、EthernetTCP/IP、Modbusslave、RS232/485、ModbusRTU和EthernetTCP/IPOPC等。

正是由于PDH网络具有良好的开放性和数据安全性以及它所开放的网络接口，外部设备接入PDH网络就成为首选。HMI（人机交互界面）设计为双网卡模式，每个网卡上均有UDH和PDH两个网口，每台HMI均接入双冗余UDH和PDH网络，同时从两组交换机上接收或发送数据，这样的冗余设计能够最大程度地保证网络通讯的稳定性。其它的外部系统，如Bently（燃机诊断系统）、GPP（保护系统）等非MarkVIe的设备全部使用PDH网络进行数据交换。绞网线在传输距离上的限制，和DCS等远端系统使用光纤通过PDH网进行数据交换。

2煤压机FanucRX3iPLC的冗余方式

FanucRX3i系统采用典型的双CPU备用的模式，RACK#1默认为主站，RACK#2备用。该系统中，I/O网络没有采用冗余方式。两个CPU同时读取I/O机架通过SWITCH3发送的现场数据，控制数据则由主CPU发出。当主CPU故障时，自动进行主备用切换，此时原备用CPU成为主CPU完成控制工作。PLC和HMI之间也采用双冗余的网络连接，由图3所示，Rack#1的ETM1.1，Rack#2的ETM2.1分别连接到SWITCH#1，SWITCH#2。同时，SWITCH#1和SWITCH#2通过网线连接，而HMI采用双网卡设计，分别连接到SWITCH#1和SWITCH#2上。这种方式保证了PLC，SWITCH，HMI的双冗余，任一部件出现故障或者网络通讯堵塞，都不影响整个系统的运行。

单独采用SWITCH#3连接3个机架，将I/O网络和外部网络分离开。保证数据和网络的安全性，防止因为外部问题对PLC本身数据处理产生影响。

3DCS的冗余方式

南京科远NT6000V3ADCS系统的冗余方式为双冗余形式，所有网络硬件均为双冗余。

具体表现为控制器采用主、从双冗余；工业以太网交换机分为A段、B段两路SWITCH交换机；I/O转接板上的I/O网络接口也分为网络1、网络2；各个操作站内的网卡也是双冗余形式的A段网卡、B段网卡。其网络构架为一个大的双环网结构。采用冗余网卡和冗余网络接口。正常工作时，冗余的两条数据高速通路同时并行运行，自动分摊网络流量，并考虑了负载均衡的冗余设计，使系统网络通信带宽提高。当其中一路故障（网卡损坏或出现线路故障）时，另一路自动地承担全部通信负载，保证通信的正常进行。

4三种系统冗余方式的对比

三个不同类型的控制系统由于其自身的特点采用了不同的冗余方式，其对比如表1所示。

在CCPP现场普通使用的网络双、三冗余技术，为正常生产提供了安全的保障。它保证了实时数据的不间断性，减少了因外部不可抗拒因素造成的网络瘫痪故障，满足了生产连续性的要求。三冗余系统在安全性上优于双冗余系统，可是其数据处理的算法复杂，设备投入成本高。双冗余系统在网络布线上具有优势。3个不同厂家的系统通过OPC协议实现网络数据传送。OPC的应用，解决了以往因采用不同厂家设备，相互之间通讯数据格式不兼容的问题，并且对各分散子系统之间的数据共享提供了良好的统一协调功能。同时，OPC提供的开放接口也为今后系统的升级提供了扩展性。

参考文献：

[1]GUNNARPRYTZ.Redundancyinindustrialethernetnetworks[C]//IEEE.WFCS2006.Torino，Italy：IEEEPublication，2006.

[2]GEENERGY.MarkVieControlVol.1SystemGuide[M].USA：GeneralElectricCompany，2009.