目前，各個(gè)行業(yè)正在朝著以太網(wǎng)發(fā)展。近年來(lái)出現(xiàn)了一些技術(shù)創(chuàng)新，以增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的彈性，并將其用作OT和IT的通用鏈路層。在具有高可用性和嚴(yán)格時(shí)序要求的關(guān)鍵領(lǐng)域，如電氣領(lǐng)域，這些技術(shù)創(chuàng)新得到了發(fā)展。

01

以太網(wǎng)

目前大多數(shù)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)都是基于以太網(wǎng)的，自1983年以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化以來(lái)，無(wú)論是從技術(shù)角度還是從應(yīng)用角度來(lái)看，它都在不斷發(fā)展中。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的最初用途已擴(kuò)展為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、SercosIII等）、航空航天（AFDX）、能源（IEC61850）、汽車(chē)（確定性以太網(wǎng)）和運(yùn)輸。

變電站保護(hù)、自動(dòng)化和控制系統(tǒng)(PACS)等關(guān)鍵系統(tǒng)可以從以太網(wǎng)技術(shù)中受益，前提是它可以確保在網(wǎng)絡(luò)故障的情況下不會(huì)丟失幀、有效集成準(zhǔn)確的時(shí)序同步方案、供應(yīng)商之間的互操作性以及一些基本的實(shí)時(shí)操作能力。從這個(gè)意義上說(shuō)，IEC組織開(kāi)展了一項(xiàng)非常有價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)化工作，發(fā)布了IEC 62349-3“工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)——高可用性自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)”，并開(kāi)發(fā)和發(fā)布能夠在這些冗余環(huán)境中運(yùn)行的精確時(shí)間協(xié)議IEEE 1588的特定配置文件。

02

高可用性以太網(wǎng)

該標(biāo)準(zhǔn)IEC62349-3的第5部分和第4部分分別定義了高可用性無(wú)縫冗余(HSR)協(xié)議和并行冗余協(xié)議(PRP)。兩者都提供零延遲恢復(fù)時(shí)間和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的無(wú)幀丟失。HSR面向以太網(wǎng)環(huán)形拓?fù)?，它確保幀傳送時(shí)間的已知最壞情況。PRP與兩個(gè)獨(dú)立的舊式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)一起工作，它不適合在實(shí)時(shí)場(chǎng)景中工作。事實(shí)上，PRP、HSR和PTP可以結(jié)合起來(lái)支持時(shí)間感知網(wǎng)絡(luò)。

03

精確時(shí)間協(xié)議（PTP）

工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)亞微秒級(jí)同步的要求越來(lái)越高。作為在行業(yè)中引入這種組合方法（可靠以太網(wǎng)與IEEE 1588相結(jié)合）的示例，IEC智能電網(wǎng)戰(zhàn)略組建議采用IEEE 1588-2008標(biāo)準(zhǔn)中定義的PTP，用于變電站中的高精度時(shí)間同步。PTP直接通過(guò)以太網(wǎng)在變電站網(wǎng)絡(luò)中分配絕對(duì)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)納秒范圍內(nèi)的同步精度。PTP系統(tǒng)遵循主從層次結(jié)構(gòu)，其中主設(shè)備施加時(shí)間，從設(shè)備在相位和頻率上與其同步。傳播延遲由從站自動(dòng)補(bǔ)償，為了考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)引入的延遲，必須在中間節(jié)點(diǎn)中添加透明時(shí)鐘(TC)功能。因此，網(wǎng)絡(luò)中的所有交換機(jī)都應(yīng)支持TC操作，以糾正被交換的PTP幀，以免失去預(yù)期的準(zhǔn)確性。典型的PTP網(wǎng)絡(luò)由分隔不同時(shí)鐘區(qū)域的PTP邊界時(shí)鐘設(shè)備和能夠作為主設(shè)備和從設(shè)備工作的PTP普通時(shí)鐘完成。除了在電力領(lǐng)域的廣泛使用之外，IEEE 1588更常見(jiàn)于其他場(chǎng)景。例如，一些目標(biāo)應(yīng)用是用于天然氣和石油的分布式傳感器數(shù)據(jù)采集、確定性以太網(wǎng)的時(shí)間參考、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的相位和頻率同步或從航空航天和國(guó)防中的DAU進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)采集。

04

虹科HSR/PRP網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫合并解決方案

在實(shí)時(shí)部分和非實(shí)時(shí)部分中需要完全冗余路徑的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施可以從PRP和HSR網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合中受益。PRP由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)組成，支持PRP的設(shè)備負(fù)責(zé)通過(guò)兩個(gè)LAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收重復(fù)幀。這種方法非常適合重用常規(guī)以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，但它缺乏任何機(jī)制來(lái)確保給定幀的最壞情況下的交付時(shí)間。HSR允許計(jì)算此參數(shù)。因此，它是一種標(biāo)準(zhǔn)化和可互操作的解決方案，適用于面向控制的通信。例如，IEC 61850變電站的典型零延遲恢復(fù)時(shí)間拓?fù)浠谠谡究偩€部分實(shí)施PRP，在過(guò)程總線區(qū)域?qū)嵤〩SR環(huán)。PRP網(wǎng)絡(luò)與HSR環(huán)的連接必須通過(guò)兩個(gè)不同的點(diǎn)來(lái)完成，避免前面提到的SPOF。IEC62349-3標(biāo)準(zhǔn)定義了進(jìn)行互連的設(shè)備的行為方式。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)幀通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它們需要支持HSR/PRP模式以正確管理序列號(hào)字段。從集成商的角度來(lái)看，一種選擇是組合和配置支持PRP-HSR的獨(dú)立RedBox設(shè)備，支持能夠處理（組合）冗余的IEEE1588配置文件。

使用RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe解決方案合并HSR和PRP網(wǎng)絡(luò)

在航空先進(jìn)制造中心工廠（CFAA）中實(shí)施的另一種替代方案是使用插入兩臺(tái)工業(yè)PC計(jì)算機(jī)的兩個(gè)RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡。這種設(shè)置由于這些設(shè)備支持的PRP-to-HSR特殊模式，允許將PRP部分與工廠中的HSR互連。對(duì)于此設(shè)置，HSR環(huán)是光纖，而PRP網(wǎng)絡(luò)是GbE銅介質(zhì)。每個(gè)PRP分支都連接到以太網(wǎng)輸入，該輸入通常用于連接RedBox操作中的標(biāo)準(zhǔn)LAN。配置只需幾分鐘且只需一次：操作員連接到嵌入在PCIe卡中的Web應(yīng)用程序并選擇PRP-HSR操作。

虹科RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡插入PC服務(wù)器

虹科嵌入式基于web的配置工具

05

結(jié)論

本文結(jié)合PTP總結(jié)了高可用性協(xié)議HSR和PRP的概念，并介紹了可無(wú)縫集成到任何工業(yè)計(jì)算機(jī)中的虹科即用型PCIe產(chǎn)品。文章提出的方案解決了高可用性以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)集成商的需求：實(shí)現(xiàn)PRP和HSR網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單互連。由于RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe上嵌入了DAN和RedBox的雙重功能，它無(wú)需額外的中間RedBox外部設(shè)備，并重用現(xiàn)有網(wǎng)關(guān)或PCSCADA系統(tǒng)來(lái)管理數(shù)據(jù)包處理。虹科為電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域提供關(guān)鍵系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)、同步和網(wǎng)絡(luò)安全的創(chuàng)新解決方案。