一種高可用性的冗余工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

通過以上處理機(jī)制有效地消除了雙網(wǎng)冗余傳輸通信的故障恢復(fù)時(shí)間，提高了報(bào)文的實(shí)時(shí)性和可靠性。

圖4 報(bào)文時(shí)間標(biāo)簽隊(duì)列

3.2 網(wǎng)絡(luò)在線故障自診斷

雙網(wǎng)冗余傳輸模式提高了工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的通信容錯(cuò)能力。但是故障的存在將降低系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，本文采用節(jié)點(diǎn)互檢技術(shù)在線實(shí)時(shí)診斷網(wǎng)絡(luò)的故障狀態(tài)，以保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)。接收節(jié)點(diǎn)利用網(wǎng)絡(luò)診斷報(bào)文診斷網(wǎng)絡(luò)的故障狀況并在節(jié)點(diǎn)中建立網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)診斷廣播報(bào)文

為了實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)故障診斷，同時(shí)避免故障診斷占用過多的網(wǎng)絡(luò)資源，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)周期性的在兩個(gè)以太網(wǎng)上同時(shí)廣播網(wǎng)絡(luò)診斷報(bào)文。接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)該報(bào)文的接收情況判斷自身與網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)各個(gè)通道的連接是否正常。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)診斷報(bào)文接收分析

本方案在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置了一組定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器對(duì)應(yīng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的一個(gè)通道，用于維護(hù)網(wǎng)絡(luò)診斷報(bào)文的接收。如果在一定時(shí)間內(nèi)未接收到某個(gè)通道廣播的網(wǎng)絡(luò)診斷報(bào)文，表示接收節(jié)點(diǎn)已經(jīng)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)的該通道失去了通信連接，節(jié)點(diǎn)把該通道用“故障”狀態(tài)標(biāo)識(shí)，否則用“正常"狀態(tài)標(biāo)識(shí)。接收節(jié)點(diǎn)以此建立并更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表。每次節(jié)點(diǎn)接收到新的診斷報(bào)文后都將重置相應(yīng)的定時(shí)器。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表的建立與維護(hù)

網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用以上方法把其他節(jié)點(diǎn)的各通道分為“故障"和“正常"，并周期性的更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表。新入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)用雙網(wǎng)冗余傳輸模式傳輸所有報(bào)文并通過分析接收的網(wǎng)絡(luò)診斷報(bào)文快速建立網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表。其他節(jié)點(diǎn)通過分析它發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)診斷報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表中添加對(duì)它的故障映射。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表實(shí)時(shí)地上傳到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心利用它們實(shí)時(shí)地分析整個(gè)控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，從而提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

3.3 自適應(yīng)多模式冗余通信處理

過程控制系統(tǒng)中不同重要性的報(bào)文具有不同的傳輸性能要求。本方案根據(jù)報(bào)文實(shí)時(shí)性、可靠性和響應(yīng)性的要求把網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文分成重要報(bào)文和次要報(bào)文。在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好時(shí)，本方案對(duì)不同的報(bào)文采用不同的冗余傳輸機(jī)制，由此既保證了重要報(bào)文的可靠通信又極大地利用了網(wǎng)絡(luò)帶寬。

3.3.1 報(bào)文分類

重要報(bào)文：包括系統(tǒng)自檢報(bào)文、控制指令、系統(tǒng)配置信息報(bào)文。這類報(bào)文對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性和響應(yīng)性具有很高要求。發(fā)送方需要在最快時(shí)間內(nèi)把報(bào)文發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。如果報(bào)文丟失或延時(shí)過長會(huì)造成嚴(yán)重后果。

次要報(bào)文：包括控制設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送的各個(gè)通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及通道的狀態(tài)。這類報(bào)文一般按周期發(fā)送，即使丟失了一個(gè)周期的報(bào)文，節(jié)點(diǎn)仍能通過下一個(gè)周期獲得數(shù)據(jù)。

3.3.2 重要報(bào)文雙網(wǎng)冗余傳輸

本方案中的重要報(bào)文在任何情況下均采用雙網(wǎng)冗余傳輸方式傳輸，實(shí)現(xiàn)了重要報(bào)文零故障恢復(fù)時(shí)間的冗余通信，保證了重要報(bào)文的可靠性和實(shí)時(shí)性。

3.3.3 次要報(bào)文雙網(wǎng)分散傳輸通信

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表，節(jié)點(diǎn)可以準(zhǔn)確獲得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀況。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于良好的工作狀態(tài)時(shí)，本方案采用雙網(wǎng)分散傳輸模式傳輸次要報(bào)文，使系統(tǒng)次要報(bào)文的傳輸切換到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

4 驗(yàn)證與測試

本文通過8口交換機(jī)TP-Link TL-SF1008+連接浙江中控GCS-2主控卡和帶有雙網(wǎng)口的PC機(jī)。并在主控卡和PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)本冗余方案，利用PC機(jī)上的Ehtereal軟件查看接收的報(bào)文。主控卡以1s為周期向PC機(jī)發(fā)送重要報(bào)文，以100ms為周期發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等次要報(bào)文。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表建立前，所有節(jié)點(diǎn)均以雙網(wǎng)冗余傳輸模式傳輸報(bào)文，此時(shí)PC機(jī)平均每秒接收154包UDP報(bào)文。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入混合冗余傳輸模式后，PC機(jī)每秒平均接收84包UDP報(bào)文，有效降低了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。

斷開1號(hào)節(jié)點(diǎn)A通道后，PC機(jī)仍舊能從通道B接收到節(jié)點(diǎn)1的重要報(bào)文，實(shí)現(xiàn)了重要報(bào)文零故障恢復(fù)時(shí)間的冗余傳輸。經(jīng)過3.1 S(定時(shí)時(shí)間T為3 S)，平均每秒從1號(hào)節(jié)點(diǎn)B通道接收的次要報(bào)文的數(shù)量從5包增加為10包，實(shí)現(xiàn)了次要報(bào)文雙網(wǎng)分散傳輸?shù)娜哂嗲袚Q。

增加2號(hào)節(jié)點(diǎn)B通道的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷超過20％時(shí)，部分重要報(bào)文的到達(dá)時(shí)間滯后于A通道，由于本文采用時(shí)間優(yōu)先法處理報(bào)文的接收，因此應(yīng)用程序處理A通道的報(bào)文，既優(yōu)先到達(dá)的報(bào)文，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

圖5 驗(yàn)證測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

5 結(jié)論

本方案根據(jù)工業(yè)應(yīng)用場合零故障恢復(fù)時(shí)間以及高可靠性與高可用性等特殊要求，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)多模式冗余通信，有效地提高了重要報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率，可滿足大部分工業(yè)應(yīng)用中通信網(wǎng)絡(luò)的要求，具有較高的實(shí)際意義和推廣價(jià)值。