聊一聊工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)當中的環(huán)網(wǎng)

環(huán)網(wǎng)技術(shù)

隨著九十年代工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)的快速興起，通過通信連接大大的簡化了機器設(shè)備的接線工作。早期階段的工業(yè)設(shè)備通常組成線性拓撲，所有的狀態(tài)、控制和診斷數(shù)據(jù)沿著一根電纜進行傳送，網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和連接相對比較簡單。而隨著技術(shù)不斷發(fā)展，如今 PLC 控制器已經(jīng)全面支持工業(yè)以太網(wǎng)，并且越來越多的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的加入進來，網(wǎng)絡(luò)變得愈發(fā)復(fù)雜。在工業(yè)現(xiàn)場，如果采用線性拓撲網(wǎng)絡(luò)的某個節(jié)點發(fā)生了問題，隨后的設(shè)備就會完全的斷開，造成通信的中斷。而針對工業(yè)技術(shù)對控制網(wǎng)絡(luò)可靠性的高要求， 工業(yè)以太網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生。

?

環(huán)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點如下：

·?可以快速檢測網(wǎng)絡(luò)錯誤并重新自動配置網(wǎng)絡(luò)。

·?可以在小型和大型網(wǎng)絡(luò)中實施使用。

·?清晰且結(jié)構(gòu)簡單的網(wǎng)絡(luò)接線。

·?工廠可以在運行期間進行擴展工作。

·?標準化的協(xié)議確保了來自不同制造商設(shè)備的兼容性。

工業(yè)以太網(wǎng)為什么需要環(huán)網(wǎng)技術(shù)呢？或者說，以太網(wǎng)為什么不能直接連成環(huán)路呢?

這是因為以太網(wǎng)直接連接成環(huán)路，廣播的數(shù)據(jù)包會在廣播域中上大量的復(fù)制，這樣會使網(wǎng)絡(luò)中充斥著廣播數(shù)據(jù)，大規(guī)模耗用鏈路帶寬，使得正常數(shù)據(jù)不能得到有效傳輸，也會導(dǎo)致交換機的 MAC 地址表震蕩, 造成交換機資源被占用，導(dǎo)致死機。這就是我們常說的"網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴"。

所以，以太網(wǎng)的環(huán)路拓撲，必須依靠環(huán)網(wǎng)協(xié)議來堵塞一個端口，所有的數(shù)據(jù)通過另外的端口收發(fā)，實際上仍然維持一個線性的狀態(tài)，一旦轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的鏈路發(fā)生故障，就會打開堵塞的端口保證數(shù)據(jù)傳輸。

從環(huán)網(wǎng)發(fā)生故障，到備用端口打開，通訊恢復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)的時間我們一般稱之為環(huán)網(wǎng)的重構(gòu)時間。重構(gòu)時間取決于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和環(huán)網(wǎng)協(xié)議。

環(huán)網(wǎng)技術(shù)并不是西門子私有的技術(shù)，對于種類繁多的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備，如何選擇合適的環(huán)網(wǎng)協(xié)議呢？

其實我們只要了解工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的特點就可以得出結(jié)論，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對于實時性、可靠性要求高，一旦發(fā)生了環(huán)網(wǎng)的故障，要求盡快的通過備用路徑恢復(fù)通訊，這樣才會對生產(chǎn)的影響降到最低。

因此，選擇的環(huán)網(wǎng)協(xié)議和設(shè)備適不適合當前的應(yīng)用，完全取決于環(huán)網(wǎng)重構(gòu)時間能不能滿足工藝的要求。我們看看哪些環(huán)網(wǎng)協(xié)議可以供我們選擇。

No.

1

MRP （介質(zhì)冗余）

專門針對PROFINET 網(wǎng)絡(luò)的環(huán)網(wǎng)協(xié)議，是符合 IEC 61158-5-10 標準的一種適用于工業(yè)自動化行業(yè)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)冗余協(xié)議。重構(gòu)時間最大200ms，實際的重構(gòu)時間取決于網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，一般認為幾十ms級別，因為重構(gòu)時間比較快，因此非常適合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

支持MRP 的設(shè)備也非常多，除了交換機外，很多支持PROFINET 的CPU 和設(shè)備也都支持MRP，因此組網(wǎng)的選擇會很靈活。

最新固件下的SCALANCE XM400 交換機還可以支持MRP 的多環(huán)網(wǎng)。

No.

2

HRP（高速冗余環(huán)）

HRP 是西門子交換機的一種私有的環(huán)網(wǎng)協(xié)議，它的重構(gòu)時間在最大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下是300ms。HRP 主要是為了交換機的骨干網(wǎng)設(shè)計的環(huán)網(wǎng)協(xié)議，他最大的特點是可以結(jié)合環(huán)間熱備（Standby）可以實現(xiàn)和多環(huán)網(wǎng)之間的鏈路冗余。

No.

3

STP/RSTP

STP(Spanning Tree Protocol，生成樹算法，IEEE 802.1D)，網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)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(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)時間，縮短到1~2s。生成樹算法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活，但存在恢復(fù)速度慢的缺點。

這兩類協(xié)議的特點，就是都是開放的環(huán)網(wǎng)協(xié)議，一般的環(huán)網(wǎng)設(shè)備都會支持，而且不同廠家產(chǎn)品的兼容性比較好，布置靈活 （想怎么插，怎么插），但是最大的問題就是重構(gòu)太慢，不太適合工業(yè)環(huán)境，是典型的適合辦公網(wǎng)絡(luò)的環(huán)網(wǎng)協(xié)議。

No.

4

第三方私有環(huán)網(wǎng)協(xié)議

很多第三方的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠家都有私有的環(huán)網(wǎng)協(xié)議，是不是合適當前的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，我們需要看看它的環(huán)網(wǎng)重構(gòu)時間，比如假設(shè)第三方的重構(gòu)時間100ms，我們的工業(yè)環(huán)境最大允許延遲如果是128ms（例如PROFINET 設(shè)備的看門狗時間），那重構(gòu)的時間將不會導(dǎo)致通訊掉站，當然可以使用；但是如果我們的工業(yè)環(huán)境最大允許延遲如果是64 ms，很顯然重構(gòu)時就會導(dǎo)致掉站，就會影響生產(chǎn)，很顯然不適合了。

No.

5

PRP（并行冗余協(xié)議）、

HSR (高可用性無縫環(huán)網(wǎng)協(xié)議)

基于IEC 62439-3 PRP 并行冗余協(xié)議，基于 IEC 62439-3 HSR 協(xié)議，兩種協(xié)議都需要有專門的設(shè)備來組網(wǎng)。

和之前介紹的環(huán)網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)僅在一條鏈路傳遞不同，PRP會復(fù)制幀在兩個獨立的網(wǎng)絡(luò)(LAN A, LAN B)進行傳輸，HSR 也會在兩個方向復(fù)制數(shù)據(jù)，先到的幀被轉(zhuǎn)發(fā)至應(yīng)用，后到的幀被丟棄。

PRP 在中間設(shè)備不需要支持PRP，其上所連接的設(shè)備的幀也不會被RNA交換機復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)。

HSR環(huán)上所有設(shè)備都需要支持 HSR 協(xié)議。

這兩種協(xié)議，因為數(shù)據(jù)在兩個方向都會復(fù)制，因此無網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時間，0ms切換。如果發(fā)生故障，因為不存在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，數(shù)據(jù)可以保證無延遲的可靠傳輸，適合需要高可用性、無重構(gòu)時間的冗余場合。

結(jié)語

總之，工程師在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲時，為了生產(chǎn)的穩(wěn)定性，需要考慮為網(wǎng)絡(luò)選擇使用環(huán)形拓撲，設(shè)計一種支持容錯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。環(huán)網(wǎng)技術(shù)可以利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的冗余物理連接路徑，處理網(wǎng)絡(luò)任何一個分支的中斷或丟失。這可以在機器可用性方面提供額外的安全保障，并且支持容錯，以滿足工廠核心設(shè)備運行和過程自動化甚至能源供應(yīng)的穩(wěn)定要求。

編輯：黃飛