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标准产品实现网络冗余控制
时间:2012-04-28 16:00 来源:网络 点击:

   
    以太网采用冗余控制网络可使整个船舶控制、网络和外围设备系统的可用性大大提高。冗余控制系统的实现方式有多种。Wago公司的新型以太网-MR-控制器是一个标准的组件,改产品可同时控制两个以太网络。
    船舶制造行业以及岸上/海洋工程行业所采用的控制系统对组件的功率和可用性都有特殊的要求。及时在极端环境条件下,比如在受磁场影、受到持续震动和冲击负荷、温度较高、温度波动较大的船舶机舱内,这些组件都必须保持正常工作。Wago-i/O-系统可用于完成从船舶驾驶舱到发动机舱的各种高要求控制任务,并已获得包括GL(德国劳氏船级社)、ABS(美国船级社)、NKK(日本海事学会)、BV(法国船级社)、DNV(挪威船级社)、和RINA(意大利船级社)在内的众多权威船级社认证,同时还得到了德国海洋水文局(BSH)的认可。针对以上这套系统的一款新以太网控制器现已支持冗余系统应用。

基于以太网的设计的优点
    在船舶自动化系统的设计中,“分散的”、基于以太网的控制理念越来越多地被认为优于传统的现场总线设计理念。原因之一:通过标准以太网结构可使通信更加灵活和开放。原因之二:多用户/服务器结构可允许采用冗余机制,从而可以提高可用性。冗余是通过布置双倍组件和线缆来实现的。例如出现线路中断等故障时,由于可使用备用组件或者备用的网络联接,就不会中断控制功能。

以太网冗余结构
    目前,已经存在许多可提高通信网络的可用性的、基于以太网络的冗余结构:快速生成树协议(RSTP)[IEEE 802.1D-2004]、介质冗余协议(MRP)[IEC 62439-3 ]等等。这些结构的前提是:以太网络内不形成闭合的环路,由冗余结构根据具体要求来接通或者断开环路:
    RSTP用于整个网络拓扑,能消除不必要的冗余路径。如果再用的联接出现中断,它能根据通信成本(即数据帧传输时间)及优先权计算最佳路线并再次激活所需的路径。这种冗余结构需要1-3秒时间来重组网络。
    MRP用于环形拓扑,出现网络联接故障时,由一台中央交换机(主机)关闭对应的环路并在解除网络故障后再次接通环路。MRP需要200-500毫秒时间来重组网络。
    PRP用于两条并行网络的通信,并同时通过两个网络传输数据帧。重复传输的数据帧将在接收节点进行识别,从而接收正确帧,丢弃副本帧。采用着中国设计后,几乎不会产生重组延迟。以太网数据帧将附带重组系统信息,接收节点可以评估这些信息。

使用标准产品实现冗余结构
   
如果一套控制系统同时联接在两个以太网络上,那么就会出现另一种冗余结构。部分冗余机制将转移到控制系统的应用程序中。这种结构的最大优点在于它不需要特殊的协议或者交换机。相应时间与应用相关,因而她小雨控制程序的循环时间。Wago公司新型以太网MR控制器(750-882)支持这种冗余结构,因为它配备两个互不影响的网络接口。每个以太网端口都拥有一个独立的MAC地址,并分配一个IP 地址。某个要求采用冗余通信结构的应用,现可以通过两个相互不影响的网络实现。两个相互不影响的物理结构是相似的,A、B两个网络的区别在于所用的地址空间。相应地,两台计算机PC1和PC2通过BootP来控制网络地址的管理。BootP是一个TCP/IP网络IP地址的协议。两个网络不能直接联接,以避免产品相互影响。每台计算机通过其网络建立与以太网MR控制器的通信联接。所有四个通信联接中,总有一个联接是激活的,它具有写访问功能。其余三个联接是被动的,计算机只读输入信号。如果一个网络联接或者计算机出现故障,就能在已有联接的基础上使用另一条通信联接作为激活的联接。系统重组的时间非常快,因为不需要重建联接结构。

有针对性的选择网络拓扑
   
一个网络的时间特性并不仅仅由冗余网络内的备用环路转换来决定。所选的网络拓扑结构(线型、星型)也会影响网络数据包的传输。在测试所用交换机的工作原理是“存储转发”,这表示,交换机需要完整的读出并存储以太网数据帧,然后将其转发到准确的输出端口。从这个流程中间就会产生延迟时间,其长短取决于数据包的大小及交换机的转发时间。从输入端接收数据包第一个字节起,到第一字节到输出端之间的时间间隔定义为恢复时间。
    总恢复时间=(数据包*8/波特率)+转发延迟(以字节为单位的数据大小)

    用100m长的线缆重复进行试验,结果显示转发延迟大约为1us。在一个线性或环型拓扑结构中,10个交换机的延迟时间大约为1.3毫秒。如果是100个装置,那么延迟为13毫秒。这个延迟在SPS循环时间范围内,且接近自动化系统协议的超时时间。与线型或环型拓扑结构相比,星型拓扑结构的布线成本更高,但其交换机数量较少,从而可以明显减少延迟时间。由此可见,最理想的情况是线形拓扑与星型拓扑的结合。

小结:
    当控制系统组件具备两套互不影响的网络联接时,且用户程序选择冗余功能时,船舶冗余控制网络的成本就会降低。如果满足这些前提条件,那么就能使用标准组件及标准协议用于网络中,一台计算机负责网络的地址管理。Wago公司的以太网MR控制器适合用作控制组件,因为该产品配备了两个互不影响的网络接口,可支持冗余网络。通过连接的I/O模块,它可以连接许多传感器和促进器。控制器可以根据IEC 61131-3进行编程,且带有1M字节大小的SPS-编码存储器。它能提供SPS功能,也能承担控制任务。控制器使用Modbus/TCP作为应用协议,但同时也支持自动化及IT行业的其它协议。

来源:网络

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