基于PROFINET的冗余解決方案

作者： 2015年08月28日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 瀏覽量：
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基于現(xiàn)場總線或?qū)Ｓ猛ㄐ艆f(xié)議的冗余系統(tǒng)在市場上應(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
    在許多重要的工業(yè)通信現(xiàn)場，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。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)場總線及I/O系統(tǒng)等。最近幾年，具有實時性的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)開始成為工業(yè)控制領(lǐng)域的熱點，并開始在工廠自動化（液位計、液位變送器）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)場總線或?qū)Ｓ猛ㄐ艆f(xié)議的冗余系統(tǒng)在市場上應(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)通信的簡單分散式現(xiàn)場設(shè)備與對時間要求非?？量痰膽?yīng)用之間的集成，以及基于組件的分布式自動化系統(tǒng)的集成。采用 PROFINET IO技術(shù)，PROFINET規(guī)范為分散式現(xiàn)場設(shè)備提供一個集成模型。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能夠無縫地集成現(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)(例如INTERBUS，PROFIBUS)，且無需修改現(xiàn)有設(shè)備，這就保護了工廠操作員/業(yè)主、機器/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(tǒng)設(shè)備也有相同的備用系統(tǒng)設(shè)備。其優(yōu)點是主系統(tǒng)和備用系統(tǒng)不同設(shè)備同時出現(xiàn)故障時，整個系統(tǒng)不會受到影響而能夠繼續(xù)工作。當然，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;集成兩個或三個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，同時也可作為IO設(shè)備;另外，它又是INTERBUS現(xiàn)場總線的主站。
    在本系統(tǒng)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(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)信號和冗余數(shù)據(jù)，實現(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?？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，無需通過專用的冗余功能塊來實現(xiàn)。
    2. IO層冗余
    IO層冗余可以實現(xiàn)PROFINET IO設(shè)備與兩個IO控制器的通信，或者實現(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)作為當前的解決方案。
    PROFINET IO設(shè)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(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(fā)送給兩臺PLC，而輸出數(shù)據(jù)則同時有兩臺PLC周期性地傳送給PROFINET IO設(shè)備。但只有一個輸出值可以送給物理輸出，所以PROFINET IO設(shè)備需要知道哪臺PLC接管控制權(quán)，哪臺PLC處于備用狀態(tài)，這通過報文的狀態(tài)信息來識別。主PLC發(fā)送的輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài)標記為有效(IOPS = GOOD)，備用 PLC發(fā)送來的輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài)標記為無效(BAD)，標記為有效的報文才會被IO設(shè)備所接收。
    I/O設(shè)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(shè)備站點讀取正確的過程數(shù)據(jù)，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(shè)備站點的輸入過程數(shù)據(jù)，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(jù)判斷邏輯通信的連接狀態(tài)，通過一個選擇功能來決定選擇哪個子站的輸入數(shù)據(jù)。對于輸出過程數(shù)據(jù)來說，則比較簡單，輸出數(shù)據(jù)總是同時寫給兩個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采用交換機進行設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。為了保證整個網(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。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，MRP以及HSR等。
    采用RSTP和快速環(huán)路檢測協(xié)議，可以構(gòu)建多個環(huán)，從而保證存在多個冗余路徑，增加了系統(tǒng)的可用性。當某個傳輸路徑出現(xiàn)故障時，數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)使用環(huán)型結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，通常采用MRP協(xié)議(IEC 62439/2)，切換時間確定。MRP只允許一個環(huán)路。MRP基本機制包括：基于環(huán)型拓撲，阻塞和轉(zhuǎn)發(fā)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(huán)路最大允許50臺交換機，MRP環(huán)路切換時間小于200ms。
    IEC 62439-3 Clause 5定義的HSR協(xié)議，支持雙環(huán)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(shè)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(yīng)時間的應(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)點可組成一個環(huán)網(wǎng)，由于每個節(jié)點都能夠從端口到端口轉(zhuǎn)發(fā)幀，因此可無需專用交換機來工作。HSR的結(jié)構(gòu)中，節(jié)點組成了一個環(huán)，每個節(jié)點有兩個相同的接口，端口A和端口B。對于每個要發(fā)送的幀(C-frame)，源節(jié)點通過端口A和端口B發(fā)送兩個拷貝。每個節(jié)點將接收到的幀從端口A中繼到端口B，反之亦然。目標節(jié)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(huán)路中斷，幀仍然可以通過另一個完好的路徑到達目標節(jié)點，對應(yīng)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(wǎng)絡(luò)帶寬減半。HSR限制在第2層廣播域，需要一個硬件實現(xiàn)(ASIC 或者 FPGA)來滿足時間約束?；贗EEE 1588的時鐘同步可能需要每個節(jié)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(shù)據(jù)交換采用OPC通信方式，OPC是以O(shè)LE/COM/DCOM機制作為應(yīng)用程序的通訊標準。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場設(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)提供了自動化標準數(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)點以透明的方式呈現(xiàn)，而無需關(guān)注數(shù)據(jù)來自于哪臺PLC。因此，對于SCADA系統(tǒng)而言，不需要專用的冗余驅(qū)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(nèi)部將使用兩個資源，每個資源將從其對應(yīng)的PLC獲取所需的數(shù)據(jù)。OPC Server通過推算兩臺PLC的狀態(tài)信息，來識別哪臺PLC處于Primary狀態(tài)，該PLC的數(shù)據(jù)將提供給上位的SCADA軟件。寫數(shù)據(jù)只對 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間，兩個資源的數(shù)據(jù)都同時在OPC Server中進行緩存。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。當切換發(fā)生時，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無需再重新連接到OPC數(shù)據(jù)點，切換時間只是取決于所定義的數(shù)據(jù)更新時間和客戶端當前使用的數(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越來越多。本文提出的冗余方案基于PROFINET通信網(wǎng)絡(luò)，可實現(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)場總線冗余系統(tǒng)相比，具有技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)靈活、配置簡單及功能完善等優(yōu)點。
    隨著IT技術(shù)在工業(yè)自動化系統(tǒng)的進一步集成應(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有比較大的改進和發(fā)展空間，并將得到廣泛的應(yīng)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(diào)整的標準通風(fēng)控制應(yīng)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(yīng)用中，需要更精確的控制和更微小的調(diào)節(jié)余量才能實現(xiàn)更高的運行效率。
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