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，需要通過一種方式來阻止由于硬件損壞或者電纜受損時導(dǎo)致的功能性中斷，這便是通過中央控制單元的冗余來實現(xiàn)，如果IPC當(dāng)機，第二個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)時間短、實時同步性高、高傳輸速率及易于診斷的特點。
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現(xiàn)場總線解決方案，在我們最新的過程序列中，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)量已經(jīng)超過了FIP的帶寬，項目經(jīng)理 斯戴芬.寶特赫說：“因此我們需要一個能夠處理更加大量的實時數(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，畢竟選擇一個新技術(shù)總是帶來很多投資保護的問題。
因此，控制技術(shù)需要保持長期的可用及透明度，我們深信Ethernet POWERLINK的開放性允許我們開發(fā)適應(yīng)任何過程的應(yīng)用。此外，阿爾斯通要求整廠一致的方案。“我們在尋找一個實時且具有確定性的網(wǎng)絡(luò)以能夠使得我們的集中過程通過分布的I/O來實現(xiàn)。”Potier如是說到。阿爾斯通的系統(tǒng)專家們羅列出系統(tǒng)的需求后，復(fù)雜的決策過程持續(xù)了幾個月的時間，工程師們采用一個優(yōu)先等級矩陣來對不同的符合條件的總線系統(tǒng)進行優(yōu)點和缺點的比較分析，權(quán)衡利弊，阿爾斯通最終選擇了Ethernet POWERLINK及ProfiNet-IRT，這兩個總線滿足了所有的需求及所期望的高速率，由于ProfiNet IRT那時候尚未正式在市場發(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)是通過在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議的擴展在微秒級上實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸。
POWERLINK對于其它的開發(fā)者而言是開放的，在2002年，它由一個民主開放的EPSG組織領(lǐng)導(dǎo)，2003年，EPSG表決通過POWERLINK V2技術(shù)規(guī)范，它最重要的擴展是標(biāo)準(zhǔn)化了基于CANopen標(biāo)準(zhǔn)定義的機制的應(yīng)用接口。
POWERLINK
POWERLINK的關(guān)鍵特性在于對網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備的時鐘管理，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擴展性采用了時間槽的方法，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)用了整個帶寬并且阻止了數(shù)據(jù)沖突，在一個POWERLINK總線內(nèi)的設(shè)備被指派了管理節(jié)點（MN）功能，而同時所有其它設(shè)備則扮演一個受控節(jié)點（CN），MN通過在一個時鐘循環(huán)內(nèi)發(fā)送請求（Poll 請求幀，PR eq）,包括一個響應(yīng)幀（PR es）給所有的受控節(jié)點，來定義所有設(shè)備同步的時鐘脈沖并控制數(shù)據(jù)通信。由于以太網(wǎng)是一個廣播系統(tǒng)，所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠接收數(shù)據(jù)，一個POWERLINK循環(huán)由四個周期構(gòu)成，在“啟動”周期，MN發(fā)送循環(huán)幀啟動（SoC）給所有CN使得設(shè)備同步。
循環(huán)的同步數(shù)據(jù)交換在第二個周期（循環(huán)周期）內(nèi)發(fā)生，下面的”非同步周期”使得非實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)。一個”空閑”周期完成了整個循環(huán)，由于時間槽方法阻止了不同設(shè)備同時發(fā)送數(shù)據(jù)，在網(wǎng)段內(nèi)HUB的數(shù)量不受限制，這允許用戶實現(xiàn)任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在任意一個網(wǎng)段，各自的MN可以被指派多達(dá)240個受控節(jié)點，更多的POWERLINK優(yōu)勢在于這個基于軟件實現(xiàn)方式及已存的標(biāo)準(zhǔn)化，一個循環(huán)由實時Poll請求和Poll響應(yīng)的實時脈沖及用于傳輸非實時數(shù)據(jù)的非實時脈沖構(gòu)成。
通過其它組織的工作，在這個領(lǐng)域提供了許多優(yōu)勢，我們已經(jīng)在冗余技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗，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。
解決方案
Alstom冗余模式是按照如下設(shè)計的：兩個或更多的冗余管理節(jié)點（RMN）在網(wǎng)絡(luò)層次的頂端，只有一個作為主動管理節(jié)點AMN，其它保持Stand-by（SMN）狀態(tài)并扮演一個受控節(jié)點。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RMN，每個RMN必須能夠配置所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其它RMN也不例外。這個冗余模式允許一個大范圍的拓?fù)浞绞健MN可以通過HUB訪問一個簡單的網(wǎng)絡(luò)層，一個可行的設(shè)計是將RMN和CN放在一個環(huán)形內(nèi)，封閉了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)，第三個對阿爾斯通有利的方面包括冗余數(shù)據(jù)線，能夠保護總線不僅在MN失效，而且在總線電纜失效和故障的情況下運行。
網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)
阿爾斯通的開發(fā)者們必須進行很多針對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的改變，以能夠使得系統(tǒng)集成多個冗余管理站，由于POWERLINK最初只允許對一個MN進行操作，網(wǎng)絡(luò)管理站NMT是一個基于CAN Open的監(jiān)測及控制服務(wù)。每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有一個NMT狀態(tài)機器，這可以提供從MN的NMT主站獲得請求及操作狀態(tài)信息，定義了四個狀態(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)備啟動并且激活網(wǎng)絡(luò)，在預(yù)操作階段，設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行同步，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NMT指令，為了冗余操作，MN可以在任何時候承擔(dān)控制功能，編程者增加一個第五狀態(tài)（Stand By）給NMT狀態(tài)機器，在預(yù)操作階段，RMN檢查總線狀態(tài)，如果沒有相關(guān)的信號被偵測到，它就切換到激活模式，并且扮演一個AMN功能，如果RMN檢測到網(wǎng)絡(luò)活動，它就會在操作模式切換到等待模式，但是將會以一個標(biāo)準(zhǔn)CN進入系統(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，這個創(chuàng)新使得網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)θ哂鄶?shù)據(jù)線進行操作。與HUB相似，它連接了數(shù)據(jù)行輸入和受控節(jié)點，扮演了一個關(guān)聯(lián)操作者的角色，并且將信號輸送線與CN相連，如果一個線路中斷，開關(guān)切換到另一個。電纜斷掉也能通過連接選擇器發(fā)送信息來定位。
應(yīng)用
在完成所有模式及技術(shù)開發(fā)后，阿爾斯通進入一個仿真階段，在阿爾斯通的工業(yè)化安裝中，系統(tǒng)是否能夠適應(yīng)特殊過程必須通過基于計算機模式進行驗證。重中之重，仿真確定我們的初步估計，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)造了豐富的特殊過程，并測試了在這些情況下的系統(tǒng)功能，Potier描述了這個漫長的仿真階段，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)在有了一個現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)可以滿足我們所有的要求，系統(tǒng)有一個非常清晰的層次，其它優(yōu)點在于它支持熱插拔，對于連接附加設(shè)備到系統(tǒng)里無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)計的工具中去，由于POWERLINK是一個基于CAN Open的網(wǎng)絡(luò)，但是最重要的事情在于這個系統(tǒng)屬于我們，我們知道開發(fā)的過程，有所有可以進入的資源在需要時進行更深入的開發(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)用于機器和工廠保護，安全是一個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)，另一個潛在的項目是開發(fā)網(wǎng)絡(luò)時間戳來與GPS時鐘同步，在今后的研發(fā)過程中，會有更多的可能。
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