摘  要： 冗余和自愈是工业自动化网络体系架构的一个重要特点,它是自动化及先进制造对系统的可靠安全性、实时稳定要求的结果。系统实时性和安全性方面的要求已经把环形网络的拓扑结构推上了工业网络的历史舞台，使其已经成为现在及未来很长一段时间的工业网络体系的主流设计。

    关键词：以太网；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

    以太网技术在工业自动化领域的渗透发展正在演绎着其一分支——工业以太网技术在FA/PA应用中的遗传与变异的进化历程：一方面它承袭了以太网的绝大多数技术，另一方面又变异出了与商用以太网截然不同的关于实时性和安全性方面的特质。其中冗余和自愈是工业自动化网络体系架构的一个重要特点，它是自动化及先进制造对系统的可靠安全性、实时稳定要求的结果。系统实时性和安全性方面的要求把环形网络的拓扑结构推上了工业网络的历史舞台，使其成为现在及未来很长一段时间的工业网络体系的主流设计。解析这一拓扑结构，能让我们一分为二地了解这一技术的先进性和瑕疵。

    拓扑结构是物理层上一个重要的问题。拓扑结构指的是如何在网络中走线。点对点的连接是一个工作站和一个集线器的接口的连接、一个集线器和另一个集线器的连接或一个工作站和另外一个工作站的连接。

    商用以太网拓扑结构是工业以太网拓扑结构的源生物，主要包含以下几种：

    （1）总线型：早期以太网多使用总线型的拓扑结构，采用同轴缆作为传输介质，采用共享的访问机制。但由于它存在的固有缺陷，已经逐渐被以集线器和交换机为核心的星型网络所代替。

    （2）星型：采用专用的网络设备（如集线器或交换机）作为核心节点，通过双绞线将局域网中的各台主机连接到核心节点上，这就形成了星型结构。星型拓扑可以通过级联的方式使网络得到扩展，因此被绝大部分的以太网所采用。

    （3）树型：是星型和总线型的结合。

    （4）环型：IEEE802.5令牌环网，由于性价方面的因素在市场上应用很少。

    关于工业以太网的研究表明，商用的EN50173标准和ISO/ IEC 11801标准所描述的拓扑结构在完成一些修正后完全应用到工业环境中，就成就了目前工业以太网拓扑结构的雏形。

    大多数工业现场的用户都比较熟悉总线型的连接即多个工作站共享一个通用的连接，EIA-485或控制器局域网（CAN）是这些网络的很好的例子。但是，总线拓扑结构在工业以太网中已不再存在。尽管10BASE2和10BASE5确实是总线型的基于同轴线缆的以太网网络，但由于它们局限于10Mbps的半双工工作状态，更由于它们不被包含在新兴的商业楼宇的布线标准TIA/EIA-568-A中，它们的应用在逐渐减少。

    基于以上原因，初期的工业以太网的布线多采用星型，即要求连接型集线器或工业以太网交换型机。目前，大家不再去考虑用总线型的方法去连接传送系统一类的网络，尽管其非常简单。如果要使用工业以太网，就多使用星型、树型或环型的拓扑结构。

    在一个典型的工业环境中，可以从整体的角度做出分割，将其中的各个单元做如下的划分：

    （1）CD==Campus distributor，即工业园区级节点；

    （2）BD==Building distributor，即厂房级节点；

    （3）FD==Floor distributor，即车间级节点；

    （4）MD==Machine distributor，即机器（设备）级节点；

    （5）MO==Machine outlet，即设备输出节点；

    （6）TO==Terminal outlet，即终端输出节点。

    在这种分割下，一个典型工业以太网拓扑结构如图1所示。

 

    如果不考虑无线网络系统，目前工业以太网的拓扑结构主要还是星型和环型，基于安全可靠方面的考虑，冗余双星型和冗余双环型是主流网络拓扑，而环型似乎更受到自动化用户的青睐。

    在一般商业应用上，以太网的冗余技术并不显得非常重要。以往的集线器（Hub），交换机（Switch）被很多人使用去连接各种基于以太网的设备（如PC）。集线器接收到来自某一端口的消息，再将消息广播到其它所有的端口。对来自任一端口的每一条消息，集线器都会把它传递到其它的各个端口。而交换机能实现消息从一个端口到另一个端口的路由功能，其可以自动探测每台网络设备的网络速度。借助一种称为“MAC地址表”的功能，交换机还能识别和记忆网络中的设备。这种智能避免了消息冲突，提高了传输性能，相对集线器是一次巨大的改进。但集线器和交换机这样的设备在顾及了使用的简单性和价格优势之后，也随之失去了实现诸如冗余功能这样的高级要求的可能。

    随后发展出的管理型交换机（Managed Switch）相对于集线器和普通交换机，拥有了更多更复杂的功能，其通常可以通过基于网络的接口实现完全配置。它可以自动与网络设备交互，用户也可以手动配置每个端口的网速和流量控制。

    绝大多数管理型交换机还提供一些高级功能，如用于远程监视和配置的SNMP（简单网络管理协议），用于诊断的端口映射，用于网络设备成组的VLAN（虚拟局域网），用于确保优先级消息通过的优先级排列功能等。这些新型功能的加入，使得利用管理型交换机，可以组建冗余网络。使用环形拓扑结构，管理型交换机可以组成环形网络。每台管理型交换机能自动判断最优传输路径和备用路径，当优先路径中断时自动阻断（block）备用路径。

    而随着工业网络对于冗余功能的要求变得突出，出现了专门在冗余方面做出功能扩展的管理型冗余交换机。此类交换机提供了一些特殊的功能，特别是针对有稳定性、安全性方面严格要求的冗余系统进行了设计上的优化。

通常构建冗余网络的方式主要有两种，一种是遗传了传统以太网的冗余自愈方式，如STP、RSTP、TRUNKING；另一种是专门针对工业自动化实时可靠性而从传统以太网变异出的厂家私有环路冗余协议。

    1.3.1 STP及RSTP

    STP（Spanning Tree Protocol），是作为一个链路层协议（IEEE 802.1D）存在的，提供路径冗余和阻止网络循环发生。其做法是强令备用数据路径为阻塞（blocked）状态。如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置及链路重构。网络中断恢复时间为30～60s之间。RSTP（快速生成树算法，IEEE 802.1w）作为STP的升级，将网络中断恢复时间，缩短到1～2s。STP网络结构灵活，但存在恢复速度慢的缺点。在很多的工业环境中并不适用。

    同样主干冗余Trunking技术也是普通以太网都具备的一项技术，这种方式是将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口，并建立连接，这样在交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。不但成倍的提高了骨干链接的网络带宽，增强了网络吞吐量，而且还提供了另外一个功能，即冗余功能。当网络中的骨干链接产生断线等问题，那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递，保证网络的通讯正常。Trunking主干网络可以采用总线型和星型网络结构，理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法，所以使网络中断恢复时间达到了新的高度，一般恢复时间可以达到10ms以下。

    但实际应用中，如图2所示，链路A和链路B几乎都在各自同一个管道内，A、B内的链路即使是双冗余，但管道一旦遭到破坏，则链路与备份链路均被损坏，达不到用于保护的作用。而交换机2和交换机3又不能连通，否则即形成闭环，如果不打开STP会产生广播风暴导致运行瘫痪，打开STP就如上所述，又满足不了工业环境的实时性的要求。

    因此，TRUNKING技术由于其本身并不是为工业网络环境而研发的，这种技术在工业环境下实际意义不大，在工业环境中应用是一种“假冗余”技术。

    正是由于传统的以太网本身提供的冗余自愈技术不能满足工业环境的需求，才自然迫使工业以太网产生变异进化出了自身的冗余自愈技术。

    1.3.2  私有环路冗余协议

    在STP之后，为了能满足工业控制网络实时性强的特点，开始采用环路连接网络的方式实现冗余快速恢复。采用这种技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。并可以通过交换机的出错继电连接、状态显示灯和SNMP设置等方法来提醒用户出现的断网现象。这些都可以帮助诊断环网何处出现断开。

    但不同的工业以太网厂家，研发出了不同且不兼容的环路冗余协议，如HIRSCHMANN的HIPER RING，MOXA的TURBO RING，TSC的SUPREME RING及科动的RAPID RING等。

    环路冗余大体可以采用三种方法：

    （1）单机单环冗余。（如图3所示）

    （2）双机单环冗余。（如图4所示）

    （3）双机双环冗余。（如图5所示）

               

    双环的主要优势在于可以通过双通道连接，从而避免单个线缆出错带来的问题。双机同样也可以避免单个设备出错带来的问题。

    以太环网并不意味着完全的冗余，它只是拓扑结构中的一种。由于目前工业以太网的布线系统实际处于布线的初级阶段。应用于工业领域的布线系统及设备还大量的采用“缆+头”的连接模式，因此会在目前到将来很长一段时间存在连接故障。同时，工业控制设备及工业以太网设备本身也会存在故障问题，因此工业网络会有很多故障点。环型拓扑提供了某种程度的冗余，但还是有很多单一故障点让一个或多个器件不能通信。实际往往有几个小型交换机连接在环网上。通过单线连接交换机的几个端口，那些入网设备形成了一个标准树形拓扑。如果交换机与设备间的线缆发生故障，设备通讯就因一个点的错误而中断。如果一个交换机中断了其上所有设备的连接，这个交换机也就失效了。这在过程控制中是不可接受的。

    所以目前流行的环型拓扑设计是有瑕疵的，它对于工厂或建筑自动化是可行的，但还不能满足有着更高要求的过程控制等领域，如石化、烟草等行业。

    如果环型拓扑不是冗余的，那么什么才是完全冗余的？笔者以为它应是包括设备、网络、端口的全部冗余。

    如图6所示，A类PLC设备配置为单网卡，B类PLC设备配置为双网卡，对于两种不同的终端设备A类和B类如何实现各自的冗余呢？双网卡的B类PLC设备按照工业冗余方案可以采用两个网卡分别接到两个环网上，从而实现链路冗余；而单网卡设备呢？笔者提出以下解决方案，单网卡的A类PLC设备通过一台冗余保护器接到两个环网上，所谓冗余保护器是专门为工业冗余网络设计的一款工业级以太网产品，它可以形象的比喻为一个岔路口，分出的两条路都可以到达目的地，我们把他们称为主路和辅路，汽车在这里可以根据情况选择前方两条路径，平常状况下走主路但当主路出状况时改走辅路，从而保证了道路的连通行。

    总之，以太网技术已经发展到了工业自动化领域，又为了适应这一环境开始进化出了工业以太网技术这一分支。实时性和冗余自愈会是这一分支进化演变的重要方向。在这方面目前的工业以太网技术比传统的工业以太网技术已有长足的进步，但是要在实时性和冗余自愈在做到尽善尽美，还有一段路要走。而这段路的长短，取决于工业以太网厂家和自动控制厂家两方面的努力的程度。


                                                                ——转自《自动化博览》