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作者簡介：楊國文（1967-），男，畢業于北京理工大學計算機系，現任卓越信通電子（北京）有限公司總經理。是科技部863、國家科技支撐計劃等多個項目的課題承擔人和專家委員會成員。
摘 要： 冗余和自愈是工業自動化網絡體系架構的一個重要特點,它是自動化及先進制造對系統的可靠安全性、實時穩定要求的結果。系統實時性和安全性方面的要求已經把環形網絡的拓撲結構推上了工業網絡的歷史舞臺，使其已經成為現在及未來很長一段時間的工業網絡體系的主流設計。
關鍵詞：以太網；冗余；安全可靠性
Abstract： Redundancy and self-recovery is one important feature of the industrial Ethernet configuration.For the applications of industrial automation，redundancy is always an important issue to help increase the reliability of your system. Any fault happened in the backbone link could be detected and recovered.If any segment of your primary communication path is broken or disconnected，“Supreme-Ring” allows industrial Ethernet switch to self-reconfigure and to provide a redundant path in the network.It comes out of the automation system’s real time and security and reliability.Redundancy and self-recovery will be the main design in the near future.
Key words： Ethernet;Redundancy;Security and reliability
以太網技術在工業自動化領域的滲透發展正在演繹著其一分支——工業以太網技術在FA/PA應用中的遺傳與變異的進化歷程：一方面它承襲了以太網的絕大多數技術，另一方面又變異出了與商用以太網截然不同的關于實時性和安全性方面的特質。其中冗余和自愈是工業自動化網絡體系架構的一個重要特點，它是自動化及先進制造對系統的可靠安全性、實時穩定要求的結果。系統實時性和安全性方面的要求把環形網絡的拓撲結構推上了工業網絡的歷史舞臺，使其成為現在及未來很長一段時間的工業網絡體系的主流設計。解析這一拓撲結構，能讓我們一分為二地了解這一技術的先進性和瑕疵。
1 工業以太網的拓撲結構
拓撲結構是物理層上一個重要的問題。拓撲結構指的是如何在網絡中走線。點對點的連接是一個工作站和一個集線器的接口的連接、一個集線器和另一個集線器的連接或一個工作站和另外一個工作站的連接。
1.1 商用以太網拓撲結構
商用以太網拓撲結構是工業以太網拓撲結構的源生物，主要包含以下幾種：
（1）總線型：早期以太網多使用總線型的拓撲結構，采用同軸纜作為傳輸介質，采用共享的訪問機制。但由于它存在的固有缺陷，已經逐漸被以集線器和交換機為核心的星型網絡所代替。
（2）星型：采用專用的網絡設備（如集線器或交換機）作為核心節點，通過雙絞線將局域網中的各臺主機連接到核心節點上，這就形成了星型結構。星型拓撲可以通過級聯的方式使網絡得到擴展，因此被絕大部分的以太網所采用。
（3）樹型：是星型和總線型的結合。
（4）環型：IEEE802.5令牌環網，由于性價方面的因素在市場上應用很少。
1.2 工業以太網的拓撲結構
關于工業以太網的研究表明，商用的EN50173標準和ISO/ IEC 11801標準所描述的拓撲結構在完成一些修正后完全應用到工業環境中，就成就了目前工業以太網拓撲結構的雛形。
大多數工業現場的用戶都比較熟悉總線型的連接即多個工作站共享一個通用的連接，EIA-485或控制器局域網（CAN）是這些網絡的很好的例子。但是，總線拓撲結構在工業以太網中已不再存在。盡管10BASE2和10BASE5確實是總線型的基于同軸線纜的以太網網絡，但由于它們局限于10Mbps的半雙工工作狀態，更由于它們不被包含在新興的商業樓宇的布線標準TIA/EIA-568-A中，它們的應用在逐漸減少。
基于以上原因，初期的工業以太網的布線多采用星型，即要求連接型集線器或工業以太網交換型機。目前，大家不再去考慮用總線型的方法去連接傳送系統一類的網絡，盡管其非常簡單。如果要使用工業以太網，就多使用星型、樹型或環型的拓撲結構。
在一個典型的工業環境中，可以從整體的角度做出分割，將其中的各個單元做如下的劃分：
（1）CD==Campus distributor，即工業園區級節點；
（2）BD==Building distributor，即廠房級節點；
（3）FD==Floor distributor，即車間級節點；
（4）MD==Machine distributor，即機器（設備）級節點；
（5）MO==Machine outlet，即設備輸出節點；
（6）TO==Terminal outlet，即終端輸出節點。
在這種分割下，一個典型工業以太網拓撲結構如圖1所示。
圖1 工業以太網拓撲結構
如果不考慮無線網絡系統，目前工業以太網的拓撲結構主要還是星型和環型，基于安全可靠方面的考慮，冗余雙星型和冗余雙環型是主流網絡拓撲，而環型似乎更受到自動化用戶的青睞。
1.3 工業以太網的拓撲冗余
在一般商業應用上，以太網的冗余技術并不顯得非常重要。以往的集線器（Hub），交換機（Switch）被很多人使用去連接各種基于以太網的設備（如PC）。集線器接收到來自某一端口的消息，再將消息廣播到其它所有的端口。對來自任一端口的每一條消息，集線器都會把它傳遞到其它的各個端口。而交換機能實現消息從一個端口到另一個端口的路由功能，其可以自動探測每臺網絡設備的網絡速度。借助一種稱為“MAC地址表”的功能，交換機還能識別和記憶網絡中的設備。這種智能避免了消息沖突，提高了傳輸性能，相對集線器是一次巨大的改進。但集線器和交換機這樣的設備在顧及了使用的簡單性和價格優勢之后，也隨之失去了實現諸如冗余功能這樣的高級要求的可能。
隨后發展出的管理型交換機（Managed Switch）相對于集線器和普通交換機，擁有了更多更復雜的功能，其通常可以通過基于網絡的接口實現完全配置。它可以自動與網絡設備交互，用戶也可以手動配置每個端口的網速和流量控制。
絕大多數管理型交換機還提供一些高級功能，如用于遠程監視和配置的SNMP（簡單網絡管理協議），用于診斷的端口映射，用于網絡設備成組的VLAN（虛擬局域網），用于確保優先級消息通過的優先級排列功能等。這些新型功能的加入，使得利用管理型交換機，可以組建冗余網絡。使用環形拓撲結構，管理型交換機可以組成環形網絡。每臺管理型交換機能自動判斷最優傳輸路徑和備用路徑，當優先路徑中斷時自動阻斷（block）備用路徑。
而隨著工業網絡對于冗余功能的要求變得突出，出現了專門在冗余方面做出功能擴展的管理型冗余交換機。此類交換機提供了一些特殊的功能，特別是針對有穩定性、安全性方面嚴格要求的冗余系統進行了設計上的優化。
通常構建冗余網絡的方式主要有兩種，一種是遺傳了傳統以太網的冗余自愈方式，如STP、RSTP、TRUNKING；另一種是專門針對工業自動化實時可靠性而從傳統以太網變異出的廠家私有環路冗余協議。
1.3.1 STP及RSTP
STP（Spanning Tree Protocol），是作為一個鏈路層協議（IEEE 802.1D）存在的，提供路徑冗余和阻止網絡循環發生。其做法是強令備用數據路徑為阻塞（blocked）狀態。如果一條路徑有故障，該拓撲結構能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構。網絡中斷恢復時間為30～60s之間。RSTP（快速生成樹算法，IEEE 802.1w）作為STP的升級，將網絡中斷恢復時間，縮短到1～2s。STP網絡結構靈活，但存在恢復速度慢的缺點。在很多的工業環境中并不適用。
同樣主干冗余Trunking技術也是普通以太網都具備的一項技術，這種方式是將不同交換機的多個端口設置為Trunking主干端口，并建立連接，這樣在交換機之間可以形成一個高速的骨干鏈接。不但成倍的提高了骨干鏈接的網絡帶寬，增強了網絡吞吐量，而且還提供了另外一個功能，即冗余功能。當網絡中的骨干鏈接產生斷線等問題，那么網絡中的數據會通過剩下的鏈接進行傳遞，保證網絡的通訊正常。Trunking主干網絡可以采用總線型和星型網絡結構，理論通訊距離可以無限延長。該技術由于采用了硬件偵測及數據平衡的方法，所以使網絡中斷恢復時間達到了新的高度，一般恢復時間可以達到10ms以下。
但實際應用中，如圖2所示，鏈路A和鏈路B幾乎都在各自同一個管道內，A、B內的鏈路即使是雙冗余，但管道一旦遭到破壞，則鏈路與備份鏈路均被損壞，達不到用于保護的作用。而交換機2和交換機3又不能連通，否則即形成閉環，如果不打開STP會產生廣播風暴導致運行癱瘓，打開STP就如上所述，又滿足不了工業環境的實時性的要求。
圖2 基于Trunking技術的網絡連接
因此，TRUNKING技術由于其本身并不是為工業網絡環境而研發的，這種技術在工業環境下實際意義不大，在工業環境中應用是一種“假冗余”技術。
正是由于傳統的以太網本身提供的冗余自愈技術不能滿足工業環境的需求，才自然迫使工業以太網產生變異進化出了自身的冗余自愈技術。
1.3.2 私有環路冗余協議
在STP之后，為了能滿足工業控制網絡實時性強的特點，開始采用環路連接網絡的方式實現冗余快速恢復。采用這種技術可以使網絡在中斷后300ms之內自行恢復。并可以通過交換機的出錯繼電連接、狀態顯示燈和SNMP設置等方法來提醒用戶出現的斷網現象。這些都可以幫助診斷環網何處出現斷開。
但不同的工業以太網廠家，研發出了不同且不兼容的環路冗余協議，如HIRSCHMANN的HIPER RING，MOXA的TURBO RING，TSC的SUPREME RING及科動的RAPID RING等。
環路冗余大體可以采用三種方法：
（1）單機單環冗余。（如圖3所示）
圖3 單機單環冗余示意圖
（2）雙機單環冗余。（如圖4所示）
圖4 雙機單環冗余示意圖
（3）雙機雙環冗余。（如圖5所示）
圖5 雙機雙環冗余示意圖
雙環的主要優勢在于可以通過雙通道連接，從而避免單個線纜出錯帶來的問題。雙機同樣也可以避免單個設備出錯帶來的問題。
2 環形拓撲工業以太網的瑕疵
2.1 工業以太網中環形拓撲的瑕疵
以太環網并不意味著完全的冗余，它只是拓撲結構中的一種。由于目前工業以太網的布線系統實際處于布線的初級階段。應用于工業領域的布線系統及設備還大量的采用“纜+頭”的連接模式，因此會在目前到將來很長一段時間存在連接故障。同時，工業控制設備及工業以太網設備本身也會存在故障問題，因此工業網絡會有很多故障點。環型拓撲提供了某種程度的冗余，但還是有很多單一故障點讓一個或多個器件不能通信。實際往往有幾個小型交換機連接在環網上。通過單線連接交換機的幾個端口，那些入網設備形成了一個標準樹形拓撲。如果交換機與設備間的線纜發生故障，設備通訊就因一個點的錯誤而中斷。如果一個交換機中斷了其上所有設備的連接，這個交換機也就失效了。這在過程控制中是不可接受的。
所以目前流行的環型拓撲設計是有瑕疵的，它對于工廠或建筑自動化是可行的，但還不能滿足有著更高要求的過程控制等領域，如石化、煙草等行業。
2.2 解決瑕疵的辦法
圖6
如果環型拓撲不是冗余的，那么什么才是完全冗余的？筆者以為它應是包括設備、網絡、端口的全部冗余。
如圖6所示，A類PLC設備配置為單網卡，B類PLC設備配置為雙網卡，對于兩種不同的終端設備A類和B類如何實現各自的冗余呢？雙網卡的B類PLC設備按照工業冗余方案可以采用兩個網卡分別接到兩個環網上，從而實現鏈路冗余；而單網卡設備呢？筆者提出以下解決方案，單網卡的A類PLC設備通過一臺冗余保護器接到兩個環網上，所謂冗余保護器是專門為工業冗余網絡設計的一款工業級以太網產品，它可以形象的比喻為一個岔路口，分出的兩條路都可以到達目的地，我們把他們稱為主路和輔路，汽車在這里可以根據情況選擇前方兩條路徑，平常狀況下走主路但當主路出狀況時改走輔路，從而保證了道路的連通行。
3 結語
總之，以太網技術已經發展到了工業自動化領域，又為了適應這一環境開始進化出了工業以太網技術這一分支。實時性和冗余自愈會是這一分支進化演變的重要方向。在這方面目前的工業以太網技術比傳統的工業以太網技術已有長足的進步，但是要在實時性和冗余自愈在做到盡善盡美，還有一段路要走。而這段路的長短，取決于工業以太網廠家和自動控制廠家兩方面的努力的程度。
——轉自《自動化博覽》
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