基于PROFINET的冗余解決方案

在許多重要的工業(yè)通信現(xiàn)場(chǎng)，例如電廠、石化、化工、冶金、船舶以及造紙等行業(yè)，控制設(shè)備的可靠性和安全性要求非常高，通常都需要考慮冗余設(shè)計(jì)。冗余系統(tǒng)涉及到的相關(guān)技術(shù)包括控制軟件、PLC系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線及I/O系統(tǒng)等。最近幾年，具有實(shí)時(shí)性的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)開始成為工業(yè)控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)，并開始在工廠自動(dòng)化的一些行業(yè)推廣應(yīng)用。主流的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)包括PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP、POWERLINK、EtherCAT等。

基于現(xiàn)場(chǎng)總線或?qū)Ｓ猛ㄐ艆f(xié)議的冗余系統(tǒng)在市場(chǎng)上應(yīng)用比較多，技術(shù)比較成熟。那么，是否有基于工業(yè)以太網(wǎng)的冗余系統(tǒng)呢?現(xiàn)在，采用德國(guó)菲尼克斯電氣的控制技術(shù)，可以提供一套基于PROFINET系統(tǒng)的冗余解決方案。該方案與傳統(tǒng)的PLC冗余方案有較大的不同。

PROFINET技術(shù)

PROFINET支持采用以太網(wǎng)通信的簡(jiǎn)單分散式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與對(duì)時(shí)間要求非常苛刻的應(yīng)用之間的集成，以及基于組件的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)的集成。采用 PROFINET IO技術(shù)，PROFINET規(guī)范為分散式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供一個(gè)集成模型。PROFINET IO包括三種不同的設(shè)備類型：IO控制器、IO設(shè)備和IO監(jiān)視器。

由于IT技術(shù)的應(yīng)用，在PROFINET方案中保護(hù)投資也起著至關(guān)重要的作用。通過代理服務(wù)器，PROFINET能夠無(wú)縫地集成現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)(例如INTERBUS，PROFIBUS)，且無(wú)需修改現(xiàn)有設(shè)備，這就保護(hù)了工廠操作員/業(yè)主、機(jī)器/成套裝備制造商和設(shè)備制造商的現(xiàn)有投資。

PROFINET冗余解決方案

本文介紹的PROFINET冗余解決方案，可以實(shí)現(xiàn)從I/O層、網(wǎng)絡(luò)層、PLC層到SCADA層的全部冗余通信功能。該方案的特點(diǎn)是，每個(gè)功能組都建立了兩次。例如，PLC、交換機(jī)、HMI等既有主系統(tǒng)設(shè)備也有相同的備用系統(tǒng)設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)是主系統(tǒng)和備用系統(tǒng)不同設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)受到影響而能夠繼續(xù)工作。當(dāng)然，用戶可以根據(jù)應(yīng)用的需求，只選擇其中一部分的功能，例如只需要控制器冗余。

1. PLC冗余

在這個(gè)系統(tǒng)中，采用專用的支持PROFINET的冗余控制器。該控制器集成了專用的冗余接口;集成兩個(gè)或三個(gè)RJ45以太網(wǎng)接口，100M全雙工。在PROFINET網(wǎng)絡(luò)中，它既屬于IO控制器，同時(shí)也可作為IO設(shè)備;另外，它又是INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的主站。

在本系統(tǒng)中，需要配置兩臺(tái)冗余控制器進(jìn)行雙機(jī)熱備，一臺(tái)為主PLC(Primary PLC)，另一臺(tái)做備用PLC(Backup PLC)。兩臺(tái)PLC之間既通過交換機(jī)和以太網(wǎng)網(wǎng)線來連接，又通過冗余接口相互連接，相互之間作為對(duì)方的IO控制器和IO設(shè)備。

主PLC和備用PLC之間通過以太網(wǎng)或者冗余接口相互交換狀態(tài)信號(hào)和冗余數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。從工程的層次看，通信連接總是建立在具有“主”任務(wù)的PLC上。兩臺(tái)PLC都建立到IO設(shè)備的PROFINET連接，但只有主PLC的數(shù)據(jù)是有效的。

兩臺(tái)控制器運(yùn)行相同的PLC程序，PLC程序是采用PCWORX軟件來編寫的。PCWORX集成了總線配置、IEC61131編程和診斷功能為一體，是一款32位的控制軟件?？刂破魅哂嘣O(shè)置和切換條件在PCWORX軟件中通過硬件配置即可完成，無(wú)需通過專用的冗余功能塊來實(shí)現(xiàn)。

2. IO層冗余

IO層冗余可以實(shí)現(xiàn)PROFINET IO設(shè)備與兩個(gè)IO控制器的通信，或者實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備的冗余。IO層冗余未來可采用PROFINET System Redundancy技術(shù)，該技術(shù)正由PI組織負(fù)責(zé)制定，但目前還沒有正式發(fā)布。因此，菲尼克斯電氣開發(fā)了Phoenix Redundancy Layer技術(shù)作為當(dāng)前的解決方案。

PROFINET IO設(shè)備同時(shí)和兩臺(tái)PLC進(jìn)行通信，主PLC和備用PLC各自建立與本地IO設(shè)備的應(yīng)用關(guān)系。支持冗余功能的IO設(shè)備復(fù)制其子槽，一個(gè)子槽(subslot)為主IO 控制器所使用，另一個(gè)子槽被備用IO控制器所使用。主子槽的索引開始于1(0×0001)，備用子槽緊隨主子槽之后，其索引為0×0002。

輸入信號(hào)周期性地同時(shí)發(fā)送給兩臺(tái)PLC，而輸出數(shù)據(jù)則同時(shí)有兩臺(tái)PLC周期性地傳送給PROFINET IO設(shè)備。但只有一個(gè)輸出值可以送給物理輸出，所以PROFINET IO設(shè)備需要知道哪臺(tái)PLC接管控制權(quán)，哪臺(tái)PLC處于備用狀態(tài)，這通過報(bào)文的狀態(tài)信息來識(shí)別。主PLC發(fā)送的輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài)標(biāo)記為有效(IOPS = GOOD)，備用 PLC發(fā)送來的輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài)標(biāo)記為無(wú)效(BAD)，標(biāo)記為有效的報(bào)文才會(huì)被IO設(shè)備所接收。

I/O設(shè)備的冗余可以保證其中一個(gè)站點(diǎn)出故障時(shí)，PLC可以從備用I/O設(shè)備站點(diǎn)讀取正確的過程數(shù)據(jù)，這意味著在硬件上I/O站點(diǎn)需要配置兩次。

PLC同時(shí)讀取兩個(gè)I/O設(shè)備站點(diǎn)的輸入過程數(shù)據(jù)，這兩個(gè)站點(diǎn)分別稱為PRIMARY-I/O-Station和BACKUP-I/O- Station。在控制程序中，根據(jù)判斷邏輯通信的連接狀態(tài)，通過一個(gè)選擇功能來決定選擇哪個(gè)子站的輸入數(shù)據(jù)。對(duì)于輸出過程數(shù)據(jù)來說，則比較簡(jiǎn)單，輸出數(shù)據(jù)總是同時(shí)寫給兩個(gè)I/O子站。PROFINET IO設(shè)備的狀態(tài)變量周期性地發(fā)送給PLC，PLC通過狀態(tài)變量可以知道IO設(shè)備的工作狀態(tài)。

3. 網(wǎng)絡(luò)冗余

PROFINET采用交換機(jī)進(jìn)行設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。為了保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，需選用支持相關(guān)冗余功能的管理型交換機(jī)。網(wǎng)絡(luò)冗余涉及到相關(guān)的以太網(wǎng)冗余協(xié)議，包括快速生成樹(RSTP)和快速環(huán)路檢測(cè)，MRP以及HSR等。

采用RSTP和快速環(huán)路檢測(cè)協(xié)議，可以構(gòu)建多個(gè)環(huán)，從而保證存在多個(gè)冗余路徑，增加了系統(tǒng)的可用性。當(dāng)某個(gè)傳輸路徑出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸會(huì)自動(dòng)切換到備用路徑，切換時(shí)間為100～500ms;其缺點(diǎn)是切換時(shí)間不固定。

PROFINET冗余網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)型結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，通常采用MRP協(xié)議(IEC 62439/2)，切換時(shí)間確定。MRP只允許一個(gè)環(huán)路。MRP基本機(jī)制包括：基于環(huán)型拓?fù)?，阻塞和轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，維護(hù)MAC地址表。其主站稱為Media Redundancy Master(MRM)，所有其他的交換機(jī)(從站)稱為Media Redundancy Clients(MRC)。環(huán)路最大允許50臺(tái)交換機(jī)，MRP環(huán)路切換時(shí)間小于200ms。

IEC 62439-3 Clause 5定義的HSR協(xié)議，支持雙環(huán)拓?fù)浜筒⑿信渲?，提供了沒有任何切換損失的無(wú)沖突冗余。在設(shè)備故障時(shí)，HSR提供了零時(shí)間的故障切換，因此適用于非常高的可靠性和極短響應(yīng)時(shí)間的應(yīng)用。HSR作為面向未來的網(wǎng)絡(luò)冗余通信協(xié)議得到了特別的關(guān)注。

HSR節(jié)點(diǎn)可組成一個(gè)環(huán)網(wǎng)，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠從端口到端口轉(zhuǎn)發(fā)幀，因此可無(wú)需專用交換機(jī)來工作。HSR的結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)組成了一個(gè)環(huán)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)相同的接口，端口A和端口B。對(duì)于每個(gè)要發(fā)送的幀(C-frame)，源節(jié)點(diǎn)通過端口A和端口B發(fā)送兩個(gè)拷貝。每個(gè)節(jié)點(diǎn)將接收到的幀從端口A中繼到端口B，反之亦然。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)采納接收到的這一對(duì)幀的第一個(gè)幀(D-frame)并丟棄副本。[!--empirenews.page--]

如果環(huán)路中斷，幀仍然可以通過另一個(gè)完好的路徑到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)用沒有任何影響。如果路徑丟失，因?yàn)楦北緹o(wú)法到達(dá)，所以很容易被檢測(cè)到。 HSR將多播報(bào)文的可用網(wǎng)絡(luò)帶寬減半。HSR限制在第2層廣播域，需要一個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)(ASIC 或者 FPGA)來滿足時(shí)間約束?；贗EEE 1588的時(shí)鐘同步可能需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)(clock A和clock B)重新同步。

4. SCADA冗余

人機(jī)界面(HMI)軟件與PLC的數(shù)據(jù)交換采用OPC通信方式，OPC是以O(shè)LE/COM/DCOM機(jī)制作為應(yīng)用程序的通訊標(biāo)準(zhǔn)。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而保證軟件對(duì)客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發(fā)中脫離出來。

菲尼克斯電氣的OPC服務(wù)器AX-OPC-Server用于分布式INTERBUS網(wǎng)絡(luò)或PROFINET網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換。采用 OPC技術(shù)，INTERBUS/PROFINET技術(shù)提供了自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，控制軟件與應(yīng)用之間不需要專用的軟件實(shí)現(xiàn)連接。OPC服務(wù)器為PC應(yīng)用程序(如SCADA/MES系統(tǒng))的讀寫訪問提供控制系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)和中間變量。

增強(qiáng)版的AX-OPC-Server將支持冗余PLC，這意味著應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)點(diǎn)以透明的方式呈現(xiàn)，而無(wú)需關(guān)注數(shù)據(jù)來自于哪臺(tái)PLC。因此，對(duì)于SCADA系統(tǒng)而言，不需要專用的冗余驅(qū)動(dòng)，不需要在客戶端進(jìn)行附加的配置。

在OPC Configurator中，只需配置Primary PLC的IP地址，OPC Server將自動(dòng)推算出Backup PLC的IP地址。OPC Server內(nèi)部將使用兩個(gè)資源，每個(gè)資源將從其對(duì)應(yīng)的PLC獲取所需的數(shù)據(jù)。OPC Server通過推算兩臺(tái)PLC的狀態(tài)信息，來識(shí)別哪臺(tái)PLC處于Primary狀態(tài)，該P(yáng)LC的數(shù)據(jù)將提供給上位的SCADA軟件。寫數(shù)據(jù)只對(duì) Primary PLC有效，并通過數(shù)據(jù)同步的方式傳給Backup PLC。

為了取得快速的切換時(shí)間，兩個(gè)資源的數(shù)據(jù)都同時(shí)在OPC Server中進(jìn)行緩存。來自于Primary PLC的數(shù)據(jù)傳送給OPC Client，而來自Backup PLC的數(shù)據(jù)則被丟棄。當(dāng)切換發(fā)生時(shí)，OPC Server根據(jù)PLC的狀態(tài)信息立即切換到備用資源，該備用資源也變?yōu)橹髻Y源。OPC Client無(wú)需再重新連接到OPC數(shù)據(jù)點(diǎn)，切換時(shí)間只是取決于所定義的數(shù)據(jù)更新時(shí)間和客戶端當(dāng)前使用的數(shù)據(jù)量。

隨著工業(yè)以太網(wǎng)的逐漸普及，基于工業(yè)以太網(wǎng)的冗余解決方案的需求將會(huì)越來越多。本文提出的冗余方案基于PROFINET通信網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)控制器冗余、I/O冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余以及SCADA冗余等功能。與傳統(tǒng)的CPU冗余或者現(xiàn)場(chǎng)總線冗余系統(tǒng)相比，具有技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)靈活、配置簡(jiǎn)單及功能完善等優(yōu)點(diǎn)。

隨著IT技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的進(jìn)一步集成應(yīng)用，工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET技術(shù)的不斷發(fā)展，基于PROFINET的冗余解決方案還會(huì)有比較大的改進(jìn)和發(fā)展空間，并將得到廣泛的應(yīng)用。