POWERINK冗余網(wǎng)絡(luò)提升流程工業(yè)可靠性
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在流程工業(yè)中，高可用性（有效性）至關(guān)重要，關(guān)鍵的應(yīng)用必須確保安全可靠性，需要通過(guò)一種方式來(lái)阻止由于硬件損壞或者電纜受損時(shí)導(dǎo)致的功能性中斷，這便是通過(guò)中央控制單元的冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果IPC當(dāng)機(jī)，第二個(gè)單元需要立即通知故障并且接管失效單元的任務(wù)，阻止正在操作的任務(wù)延遲，另一個(gè)要達(dá)到高可用性（有效性）的必要條件是線纜及控制故障定位。
阿爾斯通是EPSG（POWERLINK標(biāo)準(zhǔn)組織）的成員之一，活躍于全球能源和運(yùn)輸領(lǐng)域。公司基于POWERLINK研發(fā)了一套冗余系統(tǒng)，具有響應(yīng)時(shí)間短、實(shí)時(shí)同步性高、高傳輸速率及易于診斷的特點(diǎn)。
挑戰(zhàn)
阿爾斯通之前僅使用”工廠執(zhí)行協(xié)議FIP”，除非有必要使用另一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案，在我們最新的過(guò)程序列中，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)量已經(jīng)超過(guò)了FIP的帶寬，項(xiàng)目經(jīng)理 斯戴芬.寶特赫說(shuō)：“因此我們需要一個(gè)能夠處理更加大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并且適應(yīng)冗余拓?fù)?/strong>的總線備選方案。
系統(tǒng)的選擇
寶特赫解釋了阿爾斯通的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，重要的不僅僅在于諸如帶寬之類的技術(shù)性能，也包括系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，畢竟選擇一個(gè)新技術(shù)總是帶來(lái)很多投資保護(hù)的問(wèn)題。
因此，控制技術(shù)需要保持長(zhǎng)期的可用及透明度，我們深信Ethernet POWERLINK的開放性允許我們開發(fā)適應(yīng)任何過(guò)程的應(yīng)用。此外，阿爾斯通要求整廠一致的方案。“我們?cè)趯ふ乙粋€(gè)實(shí)時(shí)且具有確定性的網(wǎng)絡(luò)以能夠使得我們的集中過(guò)程通過(guò)分布的I/O來(lái)實(shí)現(xiàn)。”Potier如是說(shuō)到。阿爾斯通的系統(tǒng)專家們羅列出系統(tǒng)的需求后，復(fù)雜的決策過(guò)程持續(xù)了幾個(gè)月的時(shí)間，工程師們采用一個(gè)優(yōu)先等級(jí)矩陣來(lái)對(duì)不同的符合條件的總線系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的比較分析，權(quán)衡利弊，阿爾斯通最終選擇了Ethernet POWERLINK及ProfiNet-IRT，這兩個(gè)總線滿足了所有的需求及所期望的高速率，由于ProfiNet IRT那時(shí)候尚未正式在市場(chǎng)發(fā)布，真正的選擇就很清楚了。
POWERLINK歷史
POWERLINK是由一家奧地利控制技術(shù)制造商—貝加萊（B&R）在2001年開發(fā)的。貝加萊的目標(biāo)是通過(guò)在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議的擴(kuò)展在微秒級(jí)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。
POWERLINK對(duì)于其它的開發(fā)者而言是開放的，在2002年，它由一個(gè)民主開放的EPSG組織領(lǐng)導(dǎo)，2003年，EPSG表決通過(guò)POWERLINK V2技術(shù)規(guī)范，它最重要的擴(kuò)展是標(biāo)準(zhǔn)化了基于CANopen標(biāo)準(zhǔn)定義的機(jī)制的應(yīng)用接口。
POWERLINK
POWERLINK的關(guān)鍵特性在于對(duì)網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備的時(shí)鐘管理，不像標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)系統(tǒng)，在那里，傳輸速度依賴于數(shù)據(jù)量，POWERLINK擴(kuò)展性采用了時(shí)間槽的方法，這能夠確保數(shù)據(jù)交換的同步性，為了使得數(shù)據(jù)傳輸同步，應(yīng)用了整個(gè)帶寬并且阻止了數(shù)據(jù)沖突，在一個(gè)POWERLINK總線內(nèi)的設(shè)備被指派了管理節(jié)點(diǎn)（MN）功能，而同時(shí)所有其它設(shè)備則扮演一個(gè)受控節(jié)點(diǎn)（CN），MN通過(guò)在一個(gè)時(shí)鐘循環(huán)內(nèi)發(fā)送請(qǐng)求（Poll 請(qǐng)求幀，PR eq）,包括一個(gè)響應(yīng)幀（PR es）給所有的受控節(jié)點(diǎn)，來(lái)定義所有設(shè)備同步的時(shí)鐘脈沖并控制數(shù)據(jù)通信。由于以太網(wǎng)是一個(gè)廣播系統(tǒng)，所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠接收數(shù)據(jù)，一個(gè)POWERLINK循環(huán)由四個(gè)周期構(gòu)成，在“啟動(dòng)”周期，MN發(fā)送循環(huán)幀啟動(dòng)（SoC）給所有CN使得設(shè)備同步。
循環(huán)的同步數(shù)據(jù)交換在第二個(gè)周期（循環(huán)周期）內(nèi)發(fā)生，下面的”非同步周期”使得非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)。一個(gè)”空閑”周期完成了整個(gè)循環(huán)，由于時(shí)間槽方法阻止了不同設(shè)備同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在網(wǎng)段內(nèi)HUB的數(shù)量不受限制，這允許用戶實(shí)現(xiàn)任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在任意一個(gè)網(wǎng)段，各自的MN可以被指派多達(dá)240個(gè)受控節(jié)點(diǎn)，更多的POWERLINK優(yōu)勢(shì)在于這個(gè)基于軟件實(shí)現(xiàn)方式及已存的標(biāo)準(zhǔn)化，一個(gè)循環(huán)由實(shí)時(shí)Poll請(qǐng)求和Poll響應(yīng)的實(shí)時(shí)脈沖及用于傳輸非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的非實(shí)時(shí)脈沖構(gòu)成。
通過(guò)其它組織的工作，在這個(gè)領(lǐng)域提供了許多優(yōu)勢(shì)，我們已經(jīng)在冗余技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，我們能夠定位我們公司的開發(fā)前瞻性并且給予高可用性標(biāo)準(zhǔn)化巨大貢獻(xiàn)。
解決方案
Alstom冗余模式是按照如下設(shè)計(jì)的：兩個(gè)或更多的冗余管理節(jié)點(diǎn)（RMN）在網(wǎng)絡(luò)層次的頂端，只有一個(gè)作為主動(dòng)管理節(jié)點(diǎn)AMN，其它保持Stand-by（SMN）狀態(tài)并扮演一個(gè)受控節(jié)點(diǎn)。SMN和CN的唯一不同在于SMN持續(xù)的監(jiān)控所有網(wǎng)絡(luò)及CN功能，在緊急情況下，這能使得SMN具有AMB功能作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一個(gè)RMN，每個(gè)RMN必須能夠配置所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其它RMN也不例外。這個(gè)冗余模式允許一個(gè)大范圍的拓?fù)浞绞?。RMN可以通過(guò)HUB訪問(wèn)一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)層，一個(gè)可行的設(shè)計(jì)是將RMN和CN放在一個(gè)環(huán)形內(nèi)，封閉了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)，第三個(gè)對(duì)阿爾斯通有利的方面包括冗余數(shù)據(jù)線，能夠保護(hù)總線不僅在MN失效，而且在總線電纜失效和故障的情況下運(yùn)行。
網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)
阿爾斯通的開發(fā)者們必須進(jìn)行很多針對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的改變，以能夠使得系統(tǒng)集成多個(gè)冗余管理站，由于POWERLINK最初只允許對(duì)一個(gè)MN進(jìn)行操作，網(wǎng)絡(luò)管理站NMT是一個(gè)基于CAN Open的監(jiān)測(cè)及控制服務(wù)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有一個(gè)NMT狀態(tài)機(jī)器，這可以提供從MN的NMT主站獲得請(qǐng)求及操作狀態(tài)信息，定義了四個(gè)狀態(tài)分別是，初始化，預(yù)操作，可操作和停止，在初始化階段，不允許設(shè)備啟動(dòng)并且激活網(wǎng)絡(luò)，在預(yù)操作階段，設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行同步，但是還不能開始傳輸數(shù)據(jù)，可操作表示單元完全可操作的，停止意味著設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)斷開，只接受一個(gè)NMT指令，為了冗余操作，MN可以在任何時(shí)候承擔(dān)控制功能，編程者增加一個(gè)第五狀態(tài)（Stand By）給NMT狀態(tài)機(jī)器，在預(yù)操作階段，RMN檢查總線狀態(tài)，如果沒有相關(guān)的信號(hào)被偵測(cè)到，它就切換到激活模式，并且扮演一個(gè)AMN功能，如果RMN檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)，它就會(huì)在操作模式切換到等待模式，但是將會(huì)以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CN進(jìn)入系統(tǒng)。
連接選擇器
除了堆棧更換，阿爾斯通的專家們開發(fā)了連接選擇器，這個(gè)創(chuàng)新使得網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)θ哂鄶?shù)據(jù)線進(jìn)行操作。與HUB相似，它連接了數(shù)據(jù)行輸入和受控節(jié)點(diǎn)，扮演了一個(gè)關(guān)聯(lián)操作者的角色，并且將信號(hào)輸送線與CN相連，如果一個(gè)線路中斷，開關(guān)切換到另一個(gè)。電纜斷掉也能通過(guò)連接選擇器發(fā)送信息來(lái)定位。
應(yīng)用
在完成所有模式及技術(shù)開發(fā)后，阿爾斯通進(jìn)入一個(gè)仿真階段，在阿爾斯通的工業(yè)化安裝中，系統(tǒng)是否能夠適應(yīng)特殊過(guò)程必須通過(guò)基于計(jì)算機(jī)模式進(jìn)行驗(yàn)證。重中之重，仿真確定我們的初步估計(jì)，這展現(xiàn)了100Mbps以太網(wǎng)足以滿足數(shù)據(jù)負(fù)載的要求。結(jié)果是，我們創(chuàng)造了豐富的特殊過(guò)程，并測(cè)試了在這些情況下的系統(tǒng)功能，Potier描述了這個(gè)漫長(zhǎng)的仿真階段，我們不能在確認(rèn)之前投入操作，除非它如我們所愿的那樣工作。
結(jié)果
阿爾斯通為結(jié)果所鼓舞，我們現(xiàn)在有了一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)可以滿足我們所有的要求，系統(tǒng)有一個(gè)非常清晰的層次，其它優(yōu)點(diǎn)在于它支持熱插拔，對(duì)于連接附加設(shè)備到系統(tǒng)里無(wú)需任何配置方面的努力，此外，我們可以輕松的集成網(wǎng)絡(luò)配置到工程設(shè)計(jì)的工具中去，由于POWERLINK是一個(gè)基于CAN Open的網(wǎng)絡(luò)，但是最重要的事情在于這個(gè)系統(tǒng)屬于我們，我們知道開發(fā)的過(guò)程，有所有可以進(jìn)入的資源在需要時(shí)進(jìn)行更深入的開發(fā)，新的功能將被在EPSG標(biāo)準(zhǔn)并且是開放給任何人的。
阿爾斯通為水電、燃?xì)?、燃煤、等利用各類能源資源的發(fā)電廠提供交鑰匙整合電廠方案、設(shè)備和相關(guān)服務(wù)。
阿爾斯通
展望
POWERLINK技術(shù)的開放和便捷已經(jīng)給了阿爾斯通的專家們下一步的想法，第一步執(zhí)行POWERLINK已經(jīng)成功，我們現(xiàn)在開始集成POWERLINK到我們的所有產(chǎn)品范圍中去，下一步，將采用POWERLINK Safety技術(shù)，這可以使得SIL 3 應(yīng)用于機(jī)器和工廠保護(hù)，安全是一個(gè)EPSG新的開發(fā)方向，它規(guī)定了在控制失效下的網(wǎng)絡(luò)緊急關(guān)閉方法，而且，我們已經(jīng)在考慮集成連接控制器在控制器內(nèi)，另一個(gè)潛在的項(xiàng)目是開發(fā)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間戳來(lái)與GPS時(shí)鐘同步，在今后的研發(fā)過(guò)程中，會(huì)有更多的可能。
評(píng)論