一種高可用性的冗余工業(yè)實時以太網(wǎng)設(shè)計

通過以上處理機制有效地消除了雙網(wǎng)冗余傳輸通信的故障恢復(fù)時間，提高了報文的實時性和可靠性。

圖4 報文時間標(biāo)簽隊列

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)實時以太網(wǎng)的通信容錯能力。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)點互檢技術(shù)在線實時診斷網(wǎng)絡(luò)的故障狀態(tài)，以保證網(wǎng)絡(luò)運行在最佳工作狀態(tài)。接收節(jié)點利用網(wǎng)絡(luò)診斷報文診斷網(wǎng)絡(luò)的故障狀況并在節(jié)點中建立網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)診斷廣播報文

為了實現(xiàn)在線實時的網(wǎng)絡(luò)故障診斷，同時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)點周期性的在兩個以太網(wǎng)上同時廣播網(wǎng)絡(luò)診斷報文。接收節(jié)點根據(jù)該報文的接收情況判斷自身與網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點各個通道的連接是否正常。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)診斷報文接收分析

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

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表的建立與維護

網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點利用以上方法把其他節(jié)點的各通道分為“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)點用雙網(wǎng)冗余傳輸模式傳輸所有報文并通過分析接收的網(wǎng)絡(luò)診斷報文快速建立網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表。其他節(jié)點通過分析它發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)診斷報文在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表中添加對它的故障映射。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表實時地上傳到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心利用它們實時地分析整個控制系統(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)中不同重要性的報文具有不同的傳輸性能要求。本方案根據(jù)報文實時性、可靠性和響應(yīng)性的要求把網(wǎng)絡(luò)中的報文分成重要報文和次要報文。在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好時，本方案對不同的報文采用不同的冗余傳輸機制，由此既保證了重要報文的可靠通信又極大地利用了網(wǎng)絡(luò)帶寬。

3.3.1 報文分類

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

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

3.3.2 重要報文雙網(wǎng)冗余傳輸

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

3.3.3 次要報文雙網(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，本方案采用雙網(wǎng)分散傳輸模式傳輸次要報文，使系統(tǒng)次要報文的傳輸切換到另一個網(wǎng)絡(luò)。

4 驗證與測試

本文通過8口交換機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。并在主控卡和PC機上實現(xiàn)本冗余方案，利用PC機上的Ehtereal軟件查看接收的報文。主控卡以1s為周期向PC機發(fā)送重要報文，以100ms為周期發(fā)送實時數(shù)據(jù)等次要報文。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)映射表建立前，所有節(jié)點均以雙網(wǎng)冗余傳輸模式傳輸報文，此時PC機平均每秒接收154包UDP報文。當(dāng)系統(tǒng)進入混合冗余傳輸模式后，PC機每秒平均接收84包UDP報文，有效降低了網(wǎng)絡(luò)的負荷。

斷開1號節(jié)點A通道后，PC機仍舊能從通道B接收到節(jié)點1的重要報文，實現(xiàn)了重要報文零故障恢復(fù)時間的冗余傳輸。經(jīng)過3.1 S(定時時間T為3 S)，平均每秒從1號節(jié)點B通道接收的次要報文的數(shù)量從5包增加為10包，實現(xiàn)了次要報文雙網(wǎng)分散傳輸?shù)娜哂嗲袚Q。

增加2號節(jié)點B通道的網(wǎng)絡(luò)負荷，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負荷超過20％時，部分重要報文的到達時間滯后于A通道，由于本文采用時間優(yōu)先法處理報文的接收，因此應(yīng)用程序處理A通道的報文，既優(yōu)先到達的報文，提高了系統(tǒng)的實時性。

圖5 驗證測試網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

5 結(jié)論

本方案根據(jù)工業(yè)應(yīng)用場合零故障恢復(fù)時間以及高可靠性與高可用性等特殊要求，設(shè)計了一種自適應(yīng)多模式冗余通信，有效地提高了重要報文傳輸?shù)膶崟r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，具有較高的實際意義和推廣價值。