基于高速以太网现场总线_HSE_网络冗余的研究

基于高速以太网现场总线(HSE)网络冗余的研究

Inve stigation of the Network Redundancy Based on F ieldbus H igh Speed Ethernet(HSE)

刘天伟1　冯冬芹1　胡协和2

(浙江大学先进控制研究所1,杭州　310027;浙江中控技术股份有限公司2,杭州　310027)

摘　要　首先介绍了当前控制系统中网络冗余的基本思想,然后分析了FF HSE通信协议中网络冗余系统的构架,最后阐明了网络冗余实体的实现过程。该实体能够为上层应用程序提供可操作的网络接口,并且在网络故障时实现透明切换,从而保证了HSE网络系统的稳定运行。

关键词　网络冗余　现场总线　HSE

Abstract　The basic concept of netw ork redundancy in current control systems is introduced firstly.Then,the frame of netw ork redundancy in FF HSE communication protocol is analyzed.The im plementation procedure of netw ork redundancy entity is described finally.The entity is able to provide opera2 ble netw ork interface for application programs in higher,and im plement transparent switchover while netw ork fails,thus the stable operation of HSE met2 w ork system is ensured.

K eyw ords　Netw ork redundancy　Fieldbus　H igh speed E thernet(HSE)

0　引言

HSE(high speed ethernet)是现场总线基金会(field2 bus foundation)为过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的基于高速以太网的通信协议。它具有速率高(100Mbps),数据通信量大,与计算机互联容易,价格低廉等特点[1]。HSE现场总线主要的应用场合有两方面:一方面是用于因计算量过大而不适合在现场仪表中进行的高层模型或调度运算;另一方面是作为多条H1总线或其它网络的网关。

网络冗余是HSE现场总线的一大特色,具有如下特点:可以根据现场总线控制系统的网络结构进行灵活组态;与虚拟现场设备(VFDs)的通信路径不会因为单一的故障而中断通信;在系统运行时,设备间的通信线路将系统地持续地被检测;网络上的每一台设备都将独立地完成故障探测工作和恢复工作,网络上并没有一个“网络冗余管理者”;每台设备都定期地向网络上的其它设备发送本地的网络状态探测值,因此每台设备也必须维护一份本地网络状态表。

1　H SE网络冗余设计思想

控制系统运行当中,设备由于硬件或软件原因出现故障是时有发生的事。采用有效的防错容错机制对一个需要稳定运行的系统是必需的[2]。冗余备份技术是指对容易出错的硬件设备进行冗余备份。当工作设备由于某种原因出现故障而不能正常工作时,备用设备马上就可以代替这个设备继续完成相同的功能。网络冗余技术就是对网络通信线路进行冗余备份以确保信息传输的可靠性和稳定性。

传统的控制系统中,网络冗余设计思想是将网络系统布置成为独立的双重冗余网络模式,发送端设备在冗余的网络上同时发送现场测量数据和系统管理数据,通过发送备份的操作数据可以提高网络传输的可靠性,在接收端设备设立两组缓冲区,处理在两个网络接口上接收到的数据(如图1所示)。这样配置的网络冗余系统可靠性得以提高,但是有如下的弊端:首先对大块操作数据而言,在冗余网络上同时传送造成网络资源消耗过大;其次接收端在它的两个网络端口接收到数据后,需要对两个接收缓冲区中的数据进行判别与处理,从中选取可用的操作信息,所以系统的实时性

有所下降。

图1　常规网络冗余方式

相对传统的网络冗余策略而言,HSE网络冗余的设计有其自己的特点。如图2、图3所示,HSE网络冗余策略并不是在冗余的网络上同时传送现场信号与系统管理数据,而是在网络上定期发布诊断消息,各台设备根据在自己网络接口上接收到诊断消息来构造网络

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基于高速以太网现场总线(H SE)网络冗余的研究　刘天伟,等

状态表,依据网络状态表为上层通信模块提供可靠的通信线路以传送现场信号与系统管理数据;HSE 网络冗余系统中,现场设备不需要判别处理在两个网络接口上接收到的双重操作数据(单网的广播模式除外),它只在其中一个网络接口上接收到现场信号与系统管理数据并直接送交上层应用程序处理,这样系统的实时性得以提高;HSE 网络冗余不但适用于双重网络冗余的模式,而且对于单一网络模式也起到了提高通信可靠性的效果[3]

。

图2　网络冗余关键算法释义图(双网模式)

图3　网络冗余关键算法释义图(单网模式)

2　H SE 网络冗余管理核心组件

HSE 现场总线的网络冗余的实施涉及到很多概

念、算法以及服务原语,其中对于实现HSE 网络冗余功能的核心组件有两个:诊断消息,网络状态表。在具体介绍网络冗余系统实现之前应该澄清这两个组件的概念。

诊断消息:网络冗余的基础是在网络设备的网络冗余实体中传输诊断消息。一条诊断消息是一种概括了设备的网络状态和健康度的消息。HSE 网络冗余允许设备周期性地在它的每个接口上发布诊断信息。具有网络冗余能力的设备要标识它的两个网络接口,其中一个标识为A ,另外一个标识为B ,诊断消息的内容中包含发送它的网络接口标识。每台设备都可以发现网络上其它设备的诊断消息是否有缺失。设备根据诊断信息来更新、维护它的网络状态表。

网络状态表:每台设备都保存一份网络状态表,这张表保存了本地设备与网络上其他设备的通信状态和对网络通信健康情况的观点。网络状态表被用来协助设备决定通过哪个网络接口向网络上其他终端地址发送消息,在一个或两个网络接口上接收组播消息。网络状态表通过接收诊断信息,接收其他本地需求或有时获取厂商特定的诊断消息来构建。

HSE 网络冗余系统的构建需要有协议中固定的报

文。这些报文全部利用UDP 协议发送。报文的传送是利用4类网络冗余消息服务来实现的。表1中列出了在FF -588中定义了网络冗余所用到的消息服务

(LAN Redundancy Services )。前三条为证实服务(C on 2firmed Service ),第四条为无证实服务(Uncon firmed Ser 2vice )。

表1　网络冗余F DA 消息服务

服务名称

服务功能

1获取网络冗余配置信息服务

(LAN Redundancy G et In formation )　获取某台HSE 设备

的网络冗余配置信息2下放网络冗余配置信息服务(LAN Redundancy Put In formation )　配置某台HSE 设备的网络冗余配置信息3

获取网络冗余统计信息服务(LAN Redundancy G et S tatistics )　获取某台HSE 设备的网络冗余的统计信息4

网络冗余诊断消息(LAN Redundancy Diagnostic M

es 2sage )　检测网络线路的通畅,构造更新网络状态表3　网络冗余管理过程

网络冗余实体采用了多线程技术。它能够保证及时准确地发送诊断消息、处理诊断消息、更新网络状态表,以及轮循检测网络状态表[4]。网络冗余实体中共开启了四个线程:主线程,诊断消息发送线程,监听线程A ,监听线程B 。它们的作用在图4中进行了简要说明。下面我们来分析网络冗余实体的工作过程,并简要介绍各线程的工作原理。

图4　网络冗余实体软件框架图

首先现场设备启动,通过网络上的DHCP 服务器为本地的两个网络接口配置IP 地址,并分别标识他们为A 接口和B 接口。现场设备首先从它的网络接口中选择一个作为可用的通信接口,设备通过此接口向组态监控程序报道本设备的存在,组态监控程序为新报到的设备配置参数,其中与网络冗余实体相关的参数有设备索引号、诊断消息发送间隔、网络交叉探测标识等等。相关参数(本地设备网络冗余配置参数)被设置后,网络冗余实体开始运行。

网络冗余实体主线程启动后,依次开启三个线程:诊断消息发送线程、监听线程A 、监听线程B 。下面将

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1《自动化仪表》第26卷第7期　2005年7月PR OCESS AUTOMATION INSTRU MENTATION V ol.26N o.7July 2005