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POWERLINK 冗余技术

--POWERLINK 冗余技术

供稿:贝加莱工业自动化(中国)有限公司 2012/1/30 14:24:20

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  • 关键词: POWERLINK 冗余 环网
  • 摘要:ETHERNET POWERLINK(简称EPL)是一种高速实时以太网,它基于标准以太网硬件,甚至可以是标准以太网卡,通讯速度为100M,通讯距离为100米,通过光纤技术可延长到数十公里。

1.POWERLINK概述 

  ETHERNET POWERLINK(简称EPL)是一种高速实时以太网,它基于标准以太网硬件,甚至可以是标准以太网卡,通讯速度为100M,通讯距离为100米,通过光纤技术可延长到数十公里。
  ETHERNET POWERLINK(简称EPL)国际标准化组织EPSG(www.epsg.org)成立于2001年,2003年推出系列产品。截至2007年11月底,世界各地240多个OEM用户在40000多台设备上使用了EPL。EPL在全球有450多个成员、用户和支持者。
  EPL现在的版本为V2(兼容V1),网络刷新周期为50s,数据传送时间误差小于1s。EPL每1ms可以刷新1000个数据点(其中40%为模拟量点)。基于1000M的EPL产品正在研发中。

2.POWERLINK冗余技术
  过程自动化常常有总线冗余的要求,机械自动化(比如滑环)也有部分总线冗余的要求,实际的需求促成了EPL冗余技术的发展。
  EPL基于标准以太网硬件,因此EPL可采用标准以太网冗余技术:环网、双环网、主干冗余。另外还有针对EPL的线路选择器冗余技术。

2.1环网冗余
  以太网环网冗余协议主要有:改造过的快速生成树协议、简化的FDDI、简化的弹性分组环RPR、以及各个厂家的自有协议。
  环网冗余结构分:单环冗余和双环冗余。双环冗余是对单环冗余的双重化配置,冗余特性比单环更可靠。环网内各节点之间采用以太网或光纤。

2.1.1单环结构

  在过程自动化领域,我们常常在一个主CPU中插入一块EPL主站卡,通过冗余网络来扩展出多个EPL从站。当EPL网络上出现3个以上的节点时,我们一般建议选择单环网冗余。
  单环网的通讯介质可以是标准以太网,也可以选择光纤,这要视实际要求而定。节点之间距离比较远(比如大于100米) 或者环境电磁干扰很强(比如风电机舱内)时,系统可靠性比成本更要优先考虑,一定要使用选用光纤。如果所有EPL节点在一个配电间内,选择环网已经足够。

2.1.1.1工作原理
  在一个环网内,数据从一个节点沿缺省方向向另一个节点传送。如果中间某段网络断了,沿该方向无法将数据发到该段网络后面的节点上,网络系统检测到这种情况后,自动会将该段网络后面节点所需的数据从另外一个方向传送,网络系统会纪录每次通讯状态,下一次通讯将沿用上次成功的通讯路径。
  要特别注意的是,环网交换机的切换时间必须足够快才行,老式的环网交换机切换时间在300ms,不能用于EPL网络冗余,新的环网交换机切换速度可以做到20ms,可以用于一般过程控制领域,而且在EPL主站上要设置足够长的容忍时间。

2.1.2双环结构
  在一些过程自动化中,网络节点数大于3个,而且系统要求网络的可靠性非常高,这时可用第3方环网交换机来构建一个双环网。
  双环网中每个节点有两个环网交换机组成,分别负责A网和B网通讯,每个节点内的两个环网交换机之间有通讯电缆连接。
  不同节点之间的通讯介质可以是标准以太网电缆,也可以是光线,标准以太网电缆的优点是成本低,缺点是通讯距离短;光纤的优点是抗电磁干扰强,传送距离远(几公里~几十公里),缺点是成本高、施工难度大。

2.1.2.2工作原理
  双环网中A、B两个网络具有单环网特性,每一个节点内的A网和B网之间有跨接通路。
  标准情况下,数据从 “源节点“到“目的节点”的通讯用一个缺省网完成,基于单环网的工作原理,即使A中某一段网络出现故障业可以完成。
  当某节点损坏一个A网交换机时,连接该交换的节点和A网的通讯路径变为不可用,网络系统会试图从该节点的B网交换机来和网络上其它节点通讯。
  当某个节点损坏一个A网交换机,而另外一个节点损坏一个B网交换机时,数据就从B网和A网之间传送,通讯的路径是经过动态优化的。
  由于每个交换机都会纪录该次成功通讯的路径,下次通讯将会沿用上次成功的路径。遇到网络故障时,网络路径重新选择需要一定延时,因此EPL通讯设置中,容忍时间必须大于网络系统恢复过程所花的时间。这个时间一般在10ms左右,因此只能作为常规控制用,不能做电厂SOE等高速处理用。

2. 2非环网结构
2.2.1线路选择器技术
该网络技术采用链路层HUB来构建2个网络A网、B网。每个节点通过线路选择器用2根EPL电缆,分别接入A网和B网。
由于采用数据链路层HUB,线路切换时间可以达到s级。可以用在电厂SOE等高速采集场合。

 


2.2.1.1工作原理
每帧数据从节点出发,同时发送给A网和B网。任何时候,数据在两个网络上事相同的。
每个节点的线路选择器(图中AC810或BC8084内置式)每50s检测一次2个EPL网络的信号质量。
如果线路选择器评估出两个网络的通讯质量一样,该节点就用缺省网络(或上次所用网络)和其它EPL节点通讯。
如果线路选择器发现一个EPL连接的通讯质量好于另外一个EPL连接,该节点就从数据质量好的网络发送和接收数据。

2. 2.2主干网络冗余
在两个节点之间同时有多根EPL电缆(通常为2根,也可以是多根)。

2. 2.2.1工作原理
  正常的操作中,两个设备之间的数据分成多个数据流,分别从不同的EPL上通过,增强了网络的吞吐量;当一根EPL网络断开,两个设备之间的数据全部从剩下的EPL连接上通过,保证了网络的通讯正常。线路恢复时间在毫秒级。

3.几种网络冗余技术比较
3.1自愈速度
  从网络自愈(或切换)速度看,线路选择器冗余技术速度最快(10s级);其次是主干网络冗余,在毫秒级;环网(单环、双环)冗余在几十毫秒级。

3.2鲁棒性
  从网络鲁棒性看,最可靠的是双环网,它相当于四重冗余;其次是线路选择器和主干网络冗余,线路选择器的网络负荷几乎没有变化,主干网络冗余在网络修复阶段网络负荷波动比较大,项目设计时要考虑到;单环网的时滞产生在自愈阶段,项目设计时应充分考虑。

3.3经济性
  单环网和主干网络冗余的经济性最好。需要特别指出的是,主干网络冗余采用串级连接方式,适合于只有2个节点的网络,多余2个节点宜采用单环冗余。然后就是线路选择器冗余,它的冗余工作在线路选择器中完成,对A、B两个网络的构建没有太多的智能要求,可以选择任何链路层HUB。双环网冗余要求的环网交换机多,价格较高,只有对可靠性要求特别高的场合才用,实际情况下用的不多。
3.4不同场合的选择
  综上所述,对于要求速度很快的应用,一般选择线路选择器技术;一般过程自动化项目,选择单环网技术即可;主干网络冗余技术更多的用在增加网络带宽的应用上;只有对网络系统可靠性要求很严格的才采用双环网冗余。

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