基于PROFINET的冗余解決方案
作者： 2015年08月28日 來源：互聯網 瀏覽量：
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基于現場總線或專用通信協議的冗余系統在市場上應用比較多，技術比較成熟。那么，是否有基于工業以太網的冗余系統呢?現在，采用德國菲尼克斯電氣的控制技術，可以提供一套基于PROFINET系統的冗余解決方案。該方案與
在許多重要的工業通信現場，例如電廠、石化、化工、冶金、船舶以及造紙等行業，控制設備的可靠性和安全性要求非常高，通常都需要考慮冗余設計。冗余系統涉及到的相關技術包括控制軟件、PLC系統、DCS系統、現場總線及I/O系統等。最近幾年，具有實時性的工業以太網系統開始成為工業控制領域的熱點，并開始在工廠自動化（液位計、液位變送器）的一些行業推廣應用。主流的工業以太網系統包括PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP、POWERLINK、EtherCAT等。
基于現場總線或專用通信協議的冗余系統在市場上應用比較多，技術比較成熟。那么，是否有基于工業以太網的冗余系統呢?現在，采用德國菲尼克斯電氣的控制技術，可以提供一套基于PROFINET系統的冗余解決方案。該方案與傳統的PLC冗余方案有較大的不同。
PROFINET技術
PROFINET支持采用以太網通信的簡單分散式現場設備與對時間要求非常苛刻的應用之間的集成，以及基于組件的分布式自動化系統的集成。采用 PROFINET IO技術，PROFINET規范為分散式現場設備提供一個集成模型。PROFINET IO包括三種不同的設備類型：IO控制器、IO設備和IO監視器。
由于IT技術的應用，在PROFINET方案中保護投資也起著至關重要的作用。通過代理服務器，PROFINET能夠無縫地集成現有的現場總線系統(例如INTERBUS，PROFIBUS)，且無需修改現有設備，這就保護了工廠操作員/業主、機器/成套裝備制造商和設備制造商的現有投資。
PROFINET冗余解決方案
本文介紹的PROFINET冗余解決方案，可以實現從I/O層、網絡層、PLC層到SCADA層的全部冗余通信功能。該方案的特點是，每個功能組都建立了兩次。例如，PLC、交換機、HMI等既有主系統設備也有相同的備用系統設備。其優點是主系統和備用系統不同設備同時出現故障時，整個系統不會受到影響而能夠繼續工作。當然，用戶可以根據應用的需求，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
在這個系統中，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;集成兩個或三個RJ45以太網接口，100M全雙工。在PROFINET網絡中，它既屬于IO控制器，同時也可作為IO設備;另外，它又是INTERBUS現場總線的主站。
在本系統中，需要配置兩臺冗余控制器進行雙機熱備，一臺為主PLC(Primary PLC)，另一臺做備用PLC(Backup PLC)。兩臺PLC之間既通過交換機和以太網網線來連接，又通過冗余接口相互連接，相互之間作為對方的IO控制器和IO設備。
主PLC和備用PLC之間通過以太網或者冗余接口相互交換狀態信號和冗余數據，實現數據同步。從工程的層次看，通信連接總是建立在具有“主”任務的PLC上。兩臺PLC都建立到IO設備的PROFINET連接，但只有主PLC的數據是有效的。
兩臺控制器運行相同的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。控制器冗余設置和切換條件在PCWORX軟件中通過硬件配置即可完成，無需通過專用的冗余功能塊來實現。
2. IO層冗余
IO層冗余可以實現PROFINET IO設備與兩個IO控制器的通信，或者實現I/O設備的冗余。IO層冗余未來可采用PROFINET System Redundancy技術，該技術正由PI組織負責制定，但目前還沒有正式發布。因此，菲尼克斯電氣開發了Phoenix Redundancy Layer技術作為當前的解決方案。
PROFINET IO設備同時和兩臺PLC進行通信，主PLC和備用PLC各自建立與本地IO設備的應用關系。支持冗余功能的IO設備復制其子槽，一個子槽(subslot)為主IO 控制器所使用，另一個子槽被備用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。
輸入信號周期性地同時發送給兩臺PLC，而輸出數據則同時有兩臺PLC周期性地傳送給PROFINET IO設備。但只有一個輸出值可以送給物理輸出，所以PROFINET IO設備需要知道哪臺PLC接管控制權，哪臺PLC處于備用狀態，這通過報文的狀態信息來識別。主PLC發送的輸出數據的狀態標記為有效(IOPS = GOOD)，備用 PLC發送來的輸出數據的狀態標記為無效(BAD)，標記為有效的報文才會被IO設備所接收。
I/O設備的冗余可以保證其中一個站點出故障時，PLC可以從備用I/O設備站點讀取正確的過程數據，這意味著在硬件上I/O站點需要配置兩次。
PLC同時讀取兩個I/O設備站點的輸入過程數據，這兩個站點分別稱為PRIMARY-I/O-Station和BACKUP-I/O- Station。在控制程序中，根據判斷邏輯通信的連接狀態，通過一個選擇功能來決定選擇哪個子站的輸入數據。對于輸出過程數據來說，則比較簡單，輸出數據總是同時寫給兩個I/O子站。PROFINET IO設備的狀態變量周期性地發送給PLC，PLC通過狀態變量可以知道IO設備的工作狀態。
3. 網絡冗余
PROFINET采用交換機進行設備的聯網。為了保證整個網絡的可靠性，需選用支持相關冗余功能的管理型交換機。網絡冗余涉及到相關的以太網冗余協議，包括快速生成樹(RSTP)和快速環路檢測，MRP以及HSR等。
采用RSTP和快速環路檢測協議，可以構建多個環，從而保證存在多個冗余路徑，增加了系統的可用性。當某個傳輸路徑出現故障時，數據傳輸會自動切換到備用路徑，切換時間為100～500ms;其缺點是切換時間不固定。
PROFINET冗余網絡使用環型結構來實現，通常采用MRP協議(IEC 62439/2)，切換時間確定。MRP只允許一個環路。MRP基本機制包括：基于環型拓撲，阻塞和轉發報文，維護MAC地址表。其主站稱為Media Redundancy Master(MRM)，所有其他的交換機(從站)稱為Media Redundancy Clients(MRC)。環路最大允許50臺交換機，MRP環路切換時間小于200ms。
IEC 62439-3 Clause 5定義的HSR協議，支持雙環拓撲和并行配置，提供了沒有任何切換損失的無沖突冗余。在設備故障時，HSR提供了零時間的故障切換，因此適用于非常高的可靠性和極短響應時間的應用。HSR作為面向未來的網絡冗余通信協議得到了特別的關注。
HSR節點可組成一個環網，由于每個節點都能夠從端口到端口轉發幀，因此可無需專用交換機來工作。HSR的結構中，節點組成了一個環，每個節點有兩個相同的接口，端口A和端口B。對于每個要發送的幀(C-frame)，源節點通過端口A和端口B發送兩個拷貝。每個節點將接收到的幀從端口A中繼到端口B，反之亦然。目標節點采納接收到的這一對幀的第一個幀(D-frame)并丟棄副本。
如果環路中斷，幀仍然可以通過另一個完好的路徑到達目標節點，對應用沒有任何影響。如果路徑丟失，因為副本無法到達，所以很容易被檢測到。 HSR將多播報文的可用網絡帶寬減半。HSR限制在第2層廣播域，需要一個硬件實現(ASIC 或者 FPGA)來滿足時間約束。基于IEEE 1588的時鐘同步可能需要每個節點(clock A和clock B)重新同步。
4. SCADA冗余
人機界面(HMI)軟件與PLC的數據交換采用OPC通信方式，OPC是以OLE/COM/DCOM機制作為應用程序的通訊標準。OPC規范了接口函數，不管現場設備以何種形式存在，客戶都以統一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發中脫離出來。
菲尼克斯電氣的OPC服務器AX-OPC-Server用于分布式INTERBUS網絡或PROFINET網絡和應用程序之間的數據交換。采用 OPC技術，INTERBUS/PROFINET技術提供了自動化標準數據接口，控制軟件與應用之間不需要專用的軟件實現連接。OPC服務器為PC應用程序(如SCADA/MES系統)的讀寫訪問提供控制系統的過程數據和中間變量。
增強版的AX-OPC-Server將支持冗余PLC，這意味著應用程序的數據點以透明的方式呈現，而無需關注數據來自于哪臺PLC。因此，對于SCADA系統而言，不需要專用的冗余驅動，不需要在客戶端進行附加的配置。
在OPC Configurator中，只需配置Primary PLC的IP地址，OPC Server將自動推算出Backup PLC的IP地址。OPC Server內部將使用兩個資源，每個資源將從其對應的PLC獲取所需的數據。OPC Server通過推算兩臺PLC的狀態信息，來識別哪臺PLC處于Primary狀態，該PLC的數據將提供給上位的SCADA軟件。寫數據只對 Primary PLC有效，并通過數據同步的方式傳給Backup PLC。
為了取得快速的切換時間，兩個資源的數據都同時在OPC Server中進行緩存。來自于Primary PLC的數據傳送給OPC Client，而來自Backup PLC的數據則被丟棄。當切換發生時，OPC Server根據PLC的狀態信息立即切換到備用資源，該備用資源也變為主資源。OPC Client無需再重新連接到OPC數據點，切換時間只是取決于所定義的數據更新時間和客戶端當前使用的數據量。
隨著工業以太網的逐漸普及，基于工業以太網的冗余解決方案的需求將會越來越多。本文提出的冗余方案基于PROFINET通信網絡，可實現控制器冗余、I/O冗余、網絡冗余以及SCADA冗余等功能。與傳統的CPU冗余或者現場總線冗余系統相比，具有技術先進、結構靈活、配置簡單及功能完善等優點。
隨著IT技術在工業自動化系統的進一步集成應用，工業以太網和PROFINET技術的不斷發展，基于PROFINET的冗余解決方案還會有比較大的改進和發展空間，并將得到廣泛的應用。
在選擇（電容式液位計、電容式液位變送器）測量儀表時，必然考慮所要求的精度水平。例如，在要求將相對濕度按人體舒適度調整的標準通風控制應用中，達到相對濕度為±5%的精度是合意的。但是在冷卻塔控制之類的應用中，需要更精確的控制和更微小的調節余量才能實現更高的運行效率。
基于現場總線或專用通信協議的冗余系統在市場上應用比較多，技術比較成熟。那么，是否有基于工業以太網的冗余系統呢?現在，采用德國菲尼克斯電氣的控制技術，可以提供一套基于PROFINET系統的冗余解決方案。該方案與傳統的PLC冗余方案有較大的不同。
PROFINET技術
PROFINET支持采用以太網通信的簡單分散式現場設備與對時間要求非常苛刻的應用之間的集成，以及基于組件的分布式自動化系統的集成。采用 PROFINET IO技術，PROFINET規范為分散式現場設備提供一個集成模型。PROFINET IO包括三種不同的設備類型：IO控制器、IO設備和IO監視器。
由于IT技術的應用，在PROFINET方案中保護投資也起著至關重要的作用。通過代理服務器，PROFINET能夠無縫地集成現有的現場總線系統(例如INTERBUS，PROFIBUS)，且無需修改現有設備，這就保護了工廠操作員/業主、機器/成套裝備制造商和設備制造商的現有投資。
PROFINET冗余解決方案
本文介紹的PROFINET冗余解決方案，可以實現從I/O層、網絡層、PLC層到SCADA層的全部冗余通信功能。該方案的特點是，每個功能組都建立了兩次。例如，PLC、交換機、HMI等既有主系統設備也有相同的備用系統設備。其優點是主系統和備用系統不同設備同時出現故障時，整個系統不會受到影響而能夠繼續工作。當然，用戶可以根據應用的需求，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
在這個系統中，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;集成兩個或三個RJ45以太網接口，100M全雙工。在PROFINET網絡中，它既屬于IO控制器，同時也可作為IO設備;另外，它又是INTERBUS現場總線的主站。
在本系統中，需要配置兩臺冗余控制器進行雙機熱備，一臺為主PLC(Primary PLC)，另一臺做備用PLC(Backup PLC)。兩臺PLC之間既通過交換機和以太網網線來連接，又通過冗余接口相互連接，相互之間作為對方的IO控制器和IO設備。
主PLC和備用PLC之間通過以太網或者冗余接口相互交換狀態信號和冗余數據，實現數據同步。從工程的層次看，通信連接總是建立在具有“主”任務的PLC上。兩臺PLC都建立到IO設備的PROFINET連接，但只有主PLC的數據是有效的。
兩臺控制器運行相同的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。控制器冗余設置和切換條件在PCWORX軟件中通過硬件配置即可完成，無需通過專用的冗余功能塊來實現。
2. IO層冗余
IO層冗余可以實現PROFINET IO設備與兩個IO控制器的通信，或者實現I/O設備的冗余。IO層冗余未來可采用PROFINET System Redundancy技術，該技術正由PI組織負責制定，但目前還沒有正式發布。因此，菲尼克斯電氣開發了Phoenix Redundancy Layer技術作為當前的解決方案。
PROFINET IO設備同時和兩臺PLC進行通信，主PLC和備用PLC各自建立與本地IO設備的應用關系。支持冗余功能的IO設備復制其子槽，一個子槽(subslot)為主IO 控制器所使用，另一個子槽被備用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。
輸入信號周期性地同時發送給兩臺PLC，而輸出數據則同時有兩臺PLC周期性地傳送給PROFINET IO設備。但只有一個輸出值可以送給物理輸出，所以PROFINET IO設備需要知道哪臺PLC接管控制權，哪臺PLC處于備用狀態，這通過報文的狀態信息來識別。主PLC發送的輸出數據的狀態標記為有效(IOPS = GOOD)，備用 PLC發送來的輸出數據的狀態標記為無效(BAD)，標記為有效的報文才會被IO設備所接收。
I/O設備的冗余可以保證其中一個站點出故障時，PLC可以從備用I/O設備站點讀取正確的過程數據，這意味著在硬件上I/O站點需要配置兩次。
PLC同時讀取兩個I/O設備站點的輸入過程數據，這兩個站點分別稱為PRIMARY-I/O-Station和BACKUP-I/O- Station。在控制程序中，根據判斷邏輯通信的連接狀態，通過一個選擇功能來決定選擇哪個子站的輸入數據。對于輸出過程數據來說，則比較簡單，輸出數據總是同時寫給兩個I/O子站。PROFINET IO設備的狀態變量周期性地發送給PLC，PLC通過狀態變量可以知道IO設備的工作狀態。
3. 網絡冗余
PROFINET采用交換機進行設備的聯網。為了保證整個網絡的可靠性，需選用支持相關冗余功能的管理型交換機。網絡冗余涉及到相關的以太網冗余協議，包括快速生成樹(RSTP)和快速環路檢測，MRP以及HSR等。
采用RSTP和快速環路檢測協議，可以構建多個環，從而保證存在多個冗余路徑，增加了系統的可用性。當某個傳輸路徑出現故障時，數據傳輸會自動切換到備用路徑，切換時間為100～500ms;其缺點是切換時間不固定。
PROFINET冗余網絡使用環型結構來實現，通常采用MRP協議(IEC 62439/2)，切換時間確定。MRP只允許一個環路。MRP基本機制包括：基于環型拓撲，阻塞和轉發報文，維護MAC地址表。其主站稱為Media Redundancy Master(MRM)，所有其他的交換機(從站)稱為Media Redundancy Clients(MRC)。環路最大允許50臺交換機，MRP環路切換時間小于200ms。
IEC 62439-3 Clause 5定義的HSR協議，支持雙環拓撲和并行配置，提供了沒有任何切換損失的無沖突冗余。在設備故障時，HSR提供了零時間的故障切換，因此適用于非常高的可靠性和極短響應時間的應用。HSR作為面向未來的網絡冗余通信協議得到了特別的關注。
HSR節點可組成一個環網，由于每個節點都能夠從端口到端口轉發幀，因此可無需專用交換機來工作。HSR的結構中，節點組成了一個環，每個節點有兩個相同的接口，端口A和端口B。對于每個要發送的幀(C-frame)，源節點通過端口A和端口B發送兩個拷貝。每個節點將接收到的幀從端口A中繼到端口B，反之亦然。目標節點采納接收到的這一對幀的第一個幀(D-frame)并丟棄副本。
如果環路中斷，幀仍然可以通過另一個完好的路徑到達目標節點，對應用沒有任何影響。如果路徑丟失，因為副本無法到達，所以很容易被檢測到。 HSR將多播報文的可用網絡帶寬減半。HSR限制在第2層廣播域，需要一個硬件實現(ASIC 或者 FPGA)來滿足時間約束。基于IEEE 1588的時鐘同步可能需要每個節點(clock A和clock B)重新同步。
4. SCADA冗余
人機界面(HMI)軟件與PLC的數據交換采用OPC通信方式，OPC是以OLE/COM/DCOM機制作為應用程序的通訊標準。OPC規范了接口函數，不管現場設備以何種形式存在，客戶都以統一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發中脫離出來。
菲尼克斯電氣的OPC服務器AX-OPC-Server用于分布式INTERBUS網絡或PROFINET網絡和應用程序之間的數據交換。采用 OPC技術，INTERBUS/PROFINET技術提供了自動化標準數據接口，控制軟件與應用之間不需要專用的軟件實現連接。OPC服務器為PC應用程序(如SCADA/MES系統)的讀寫訪問提供控制系統的過程數據和中間變量。
增強版的AX-OPC-Server將支持冗余PLC，這意味著應用程序的數據點以透明的方式呈現，而無需關注數據來自于哪臺PLC。因此，對于SCADA系統而言，不需要專用的冗余驅動，不需要在客戶端進行附加的配置。
在OPC Configurator中，只需配置Primary PLC的IP地址，OPC Server將自動推算出Backup PLC的IP地址。OPC Server內部將使用兩個資源，每個資源將從其對應的PLC獲取所需的數據。OPC Server通過推算兩臺PLC的狀態信息，來識別哪臺PLC處于Primary狀態，該PLC的數據將提供給上位的SCADA軟件。寫數據只對 Primary PLC有效，并通過數據同步的方式傳給Backup PLC。
為了取得快速的切換時間，兩個資源的數據都同時在OPC Server中進行緩存。來自于Primary PLC的數據傳送給OPC Client，而來自Backup PLC的數據則被丟棄。當切換發生時，OPC Server根據PLC的狀態信息立即切換到備用資源，該備用資源也變為主資源。OPC Client無需再重新連接到OPC數據點，切換時間只是取決于所定義的數據更新時間和客戶端當前使用的數據量。
隨著工業以太網的逐漸普及，基于工業以太網的冗余解決方案的需求將會越來越多。本文提出的冗余方案基于PROFINET通信網絡，可實現控制器冗余、I/O冗余、網絡冗余以及SCADA冗余等功能。與傳統的CPU冗余或者現場總線冗余系統相比，具有技術先進、結構靈活、配置簡單及功能完善等優點。
隨著IT技術在工業自動化系統的進一步集成應用，工業以太網和PROFINET技術的不斷發展，基于PROFINET的冗余解決方案還會有比較大的改進和發展空間，并將得到廣泛的應用。
在選擇（電容式液位計、電容式液位變送器）測量儀表時，必然考慮所要求的精度水平。例如，在要求將相對濕度按人體舒適度調整的標準通風控制應用中，達到相對濕度為±5%的精度是合意的。但是在冷卻塔控制之類的應用中，需要更精確的控制和更微小的調節余量才能實現更高的運行效率。
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