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1、50CHINA INSTRUMENTATION2011年 第 5期CPA专栏基于PROFINET的冗余解决方案The Redundancy System Based on PROFINET Technology 张 龙 杜品圣（菲尼克斯电气（南京）研发工程技术中心有限公司， 江苏 南京 211100）摘 要：在工业控制的某些重要场所，控制设备的可靠性和安全性要求非常高，通常需要考虑冗余设计。讨论冗余系统的控制要求，介绍了PROFINET工业以太网技术，并提出了一种基于PROFINET的冗余系统软硬件解决方案。关键词：冗余 现场总线 以太网 PROFINETAbstract： The relia
2、bility and security must be very high for control system in some industrial fields, so redundancy design must be considered. This article discusses the requirements of redundancy system, introduces the basics of PROFINET system, and then presents one redundancy system based on PROFINET technology fr
3、om Phoenix contact.Key words： Redundancy Fieldbus EthernetPROFINET1 引言在许多重要的工业通信现场 ， 例如电厂 、 石化 、化工 、 冶金 、 船舶 、 造纸等行业 ， 控制设备的可靠性和安全性要求非常高 ， 通常都需要考虑冗余设计 。目前能够提供完整的冗余控制系统解决方案的厂家比较少 ， 主要是少数几个大公司 。冗余系统涉及到的相关技术包括控制软件 、PLC系统 、 DCS系统 、 现场总线及 I/O系统等 。 最近几年 ， 具有实时性的工业以太网系统开始成为工业控制领域的热点 ， 并开始在工厂自动化的一些行业推广应用 。
4、主流的工业以太网系统包括 PROFINET、 Ethernet/IP、 Modbus TCP、POWERLINK、 EtherCAT等 。基于现场总线或专用通信协议的冗余系统在市场上应用比较多 ， 技术比较成熟 。 那么 ， 是否有基于工业以太网的冗余系统呢 ？ 现在 ， 采用德国菲尼克斯电气的控制技术 ， 可以提供一套基于 PROFINET系统的冗余解决方案 。 该方案与传统的 PLC冗余方案有较大的不同 。 本文将对其作详细介绍 。2 什么是冗余所谓冗余 ， 就是存在一个具有相同设备功能的备用设备系统 。 当主设备出现故障时 ， 冗余设备是可以立刻使用的替代设备 ， 从而保证整个系统能够继
5、续正常工作 。 冗余系统的功能包括 CPU冗余 、 电源冗余 、 通信链路冗余 、 I/O设备冗余 、 上位监控系统冗51中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2011年 第 5期CPA专栏 余等 。 我们最常见的是 CPU冗余或者通信链路冗余（ 例如 PROFIBUS总线 ） 。在整个系统的架构中 ， 存在一个主系统和一个备用系统 。 主系统和备用系统之间保持数据同步 ，一旦主系统出现故障 ， 备用系统马上投入使用 ； 当主系统的故障被排除后 ， 可自动切换到主系统继续进行控制 。 如果在主系统和备用系统中都存在故障 ， 那么整个系统将会停机 。 冗余系统对硬件设备 、软件
6、设计和切换时间等都有比较特别的要求 。对于 CPU冗余 ， 需要考虑到双机容错备用功能 。 根据应用要求 ， 通常有 3种不同的双机备用体系 ， 即冷备用 、 暖备用和热备用 。对于冷备用的冗余方式 ， 只是在主系统故障时才调用备用系统 。 冷备用系统接收调度数据备份 ， 但其频率低于暖备用 。 冷备用系统用于非实时应用或者数据变化不频繁的场所 ， 切换时间通常大于 30s。对于暖备用的冗余方式 ， 备用系统运行在主系统的后台 。 数据以固定的间隔时间映像到备用系统 ， 这意味着在一定的时间内 ， 两台主机会存在不完全相同的数据 。 切换时间通常大于 1s。对于热备冗余方式 ， 主系统和备用系
7、统同时运行 ， 数据实时地映射到备用服务器以确保两个系统包含完全相同的信息 。切换时间通常大于 1ms。自动化控制领域用到的冗余控制方式通常又可分为硬冗余和软冗余两种 。 硬冗余是通过硬件和固件来实现故障时主备之间的切换 ， 不需要编程 ， 反应速度快 ， 可达到 ms级 。 而软冗余顾名思义就是通过程序来实现故障时主备之间的切换 ， 需要专门的软件包进行配置和编程 ， 反应速度慢 ， 通常在 s级 。3 PROFINET技术简介PROFINET是 PROFIBUS国际组织提出的基于工业以太网的用于工业自动化的开放标准 ， 用于实现基于工业以太网的集成一致的自动化解决方案 。PROFINET支
8、持在工厂自动化和运动控制中的解决方案的方便实现 。 INTERBUS Club曾对各个制造商和组织所开发的以太网协议性能特性及其相关规范进行了深入分析与详尽研究 ， 所得的结论是PROFINET能最好地满足各种工业通信的需要 。PROFINET提供适应各种类型设备的 3种通信信道 ： 标准通道 （ TCP/IP， UPD/IP） ， 实时通道 RT（ Real Time） 和等时同步通道 IRT（ Isochronous Real Time） 。 这 3种通道在同一个网络或设备上能够同时运行 。标准通道适用于具有 100ms典型响应时间的简单设备 。 它能够用于设备的参数化和组态 ， 例如读取
9、诊断数据 。 对于典型循环时间低于 10ms的场合 ， RT通道具有与最新现场总线系统相同级别的性能 ， 在设备中 RT通道能够采用软件方案实现 ， 通道支持用户数据 、 事件驱动报文和报警等高性能周期传输 。循环时间小于 1ms和抖动低于 1s的 IRT通道用于高动态的运动控制应用 。 IRT基于一个以太网芯片 ， 用其在 IRT网络中创建高动态特性 。 如图 1所示 。PROFINET支持采用以太网通信的简单分散式现场设备与对时间要求非常苛刻的应用之间的集成 ， 以及基于组件的分布式自动化系统的集成 。PROFINET采用基于组件的自动化技术称为PROFINET CBA。 所谓 “ 组件
10、” 就是实现基于开放标准的模块化 、 分布式应用的一种统一的软件结构 。 自动化领域的发展已到达创建模块化成套装备或机器的阶段 。 这种构造推动自动化进一步发展成100ms 10ms 1msIRTRTTCP/IPNRT图1 PROFINET 的实时性和通信通道52CHINA INSTRUMENTATION2011年 第 5期CPA专栏为分布式自动化系统 。 PROFINET采用基于组件的自动化技术实现该目的 。采用 PROFINET IO技术 ， PROFINET规范为分散式现场设备提供一个集成模型 。 PROFINET IO类似于现场总线系统 ， 但现场总线的主从关系变为采用 PROFINE
11、T IO的提供者 /消费者模型 。PROFINET IO包括 3种不同的设备类型 ： IO控制器 、 IO设备和 IO监视器 。由于 IT 技术的应用 ， 在 PROFINET方案中保护投资也起着至关重要的作用 。 通过代理服务器 ，PROFINET能够无缝地集成现有的现场总线系统（ 例如 INTERBUS， PROFIBUS） ， 且无需修改现有设备 。 这就保护了工厂操作员 /业主 、 机器 /成套装备制造商和设备制造商的现有投资 。4 PROFINET冗余解决方案本文介绍的 PROFINET冗余解决方案 ， 可以实现从 I/O层 、 网络层 、 PLC层到 SCADA层的全部冗余通信功能
12、 。 该方案的特点是 ， 每个功能组都建立了两次 。 例如 ， PLC、 交换机 、 HMI等既有主系统设备也有相同的备用系统设 。 其优点是主系统和备用系统不同设备同时出现故障时 ， 整个系统不会受到影响而能够继续工作 。 当然 ， 用户可以根据应用的需求 ， 只选择其中一部分的功能 ， 例如只需要控制器冗余 。图 2为该冗余系统的网络拓扑图示例 。4.1 PLC冗余在这个系统中 ， 采用专用的支持 PROFINET的冗余控制器 。 该控制器集成了专用的冗余接口 ；集成 2个或 3个 RJ45以太网接口 ， 100M全双工 。 在PROFINET网络中 ， 它既属于 IO控制器 ， 同时也可
13、作为 IO设备 。 另外 ， 它又是 INTERBUS现场总线的主站 。在本系统中 ， 需要配置 2台冗余控制器进行双机热备 ， 一台为主 PLC（ Primary PLC） ， 另一台作备用PLC（ Backup PLC） 。 2台 PLC之间既通过交换机和以太网网线来连接 ， 又通过冗余接口相互连接 ， 相互之间作为对方的 IO控制器和 IO设备 。主 PLC和备用 PLC之间通过以太网或者冗余接口相互交换状态信号和冗余数据 ， 实现数据同步 。从工程的层次看 ， 通信连接总是建立在具有 “ 主 ” 任务的 PLC上 。 2台 PLC都建立到 IO设备的 PROFINET连接 ， 但只有主
14、 PLC的数据是有效的 。2台控制器运行相同的 PLC程序 。 PLC程序是采用 PCWORX软件来编写的 。 PCWORX集成了总线配置 、 IEC 61131编程和诊断功能为一体 ， 是一款32位的控制软件 。 控制器冗余设置和切换条件在PCWORX软件中通过硬件配置即可完成 ， 无需通过专用的冗余功能块来实现 。主 PLC与备用 PLC之间包含以下不同类型的数据通信 ：BasicSync： 启动时 PLC之间的配置协商 。FullSync： 提供给备用 PLC所有有效的实时数据 （ 项目 ， 初始值 ， 保持数据等 ） 。 LinkMoni： 监控 2台 PLC的同步连接 。系统变量 （
15、 System Variables）： 提供另一台PLC的系统信息 。Sync： 实时运行时 PLC之间的数据传输协议（ IO， 中间变量 ， 状态数据等 ） 。4.2 IO层冗余IO层冗余可以实现 PROFINET IO设备与 2个IO控制器的通信 ， 或者实现 I/O设备的冗余 。 IO层图2 冗余系统配置图IONetworkPLCSyncSyncSyncSCADA53中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2011年 第 5期CPA专栏 冗余未来可采用 PROFINET System Redundancy技术 ， 该技术正由 PI组织负责制定 ， 但目前还没有正式发布 。
16、 因此 ， 菲尼克斯电气开发了 Phoenix Redundancy Layer技术作为当前的解决方案 。Phoenix Redundancy Layer的通信结构见图 3所示 。PROFINET IO设备同时和 2台 PLC进行通信 。主 PLC和备用 PLC各自建立与本地 IO设备的应用关系 。 支持冗余功能的 IO设备复制其子槽 ， 一个子槽 （ subslot） 为主 IO 控制器所使用 ， 另一个子槽被备用 IO控制器所使用 。 主子槽的索引开始于 1（ 0 0001） 。 备用子槽紧随主子槽之后 ， 其索引为 0 0002。输入信号周期性地同时发送给 2台 PLC， 而输出数据则同时有 2台 PLC周期性地传送给 PROFINET IO设备 。 但只有 1个输出值可以送给物理输出 ， 所以PROFINET IO设备需要知道哪台 PLC接管控制权 ，哪台 PLC处于备用状态 。
