工业以太网中冗余问题的研究
|
摘要
随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展,工业控制网络也不断向前发展,从基于模拟信号传输的集散控制系统(DCS),到数字化、智能化、全分散的现场总线,再到近年来新出现并得到迅速发展的工业以太网。作为一种特定应用的网络,和商业信息网络相比,工业以太网具有自身的要求和特点,其中非常重要的一点就是对可靠性要求非常高。
本文首先介绍了工业以太网的研究现状,应用情况和基本理论,然后对工业以太网中冗余问题进行了深入的研究。工业以太网中处理冗余问题的技术主要有:生成树协议、快速生成树协议和环网冗余等,但是这些技术都不能满足一些特殊的行业如火电厂对网络可靠性的要求。为了解决这个问题,本文提出一种基于双环工业以太网的通讯控制方案。该方案参照IEC-62439的标准,结合工业控制实际情况,将IEC-62439中PRP严格隔离的两个环网通过节点中的LRE在逻辑上连接起来,最大限度的提高工业控制网的可靠性。当网络中出现多处连接故障时,中间节点将因网络故障无法发送出去的数据帧通过LRE的调度在另外一个网络中发送。
最后,我们对S型工业以太网进行了仿真,仿真环境以一个150MW的火电厂为背景。结果表明即使在恶劣的工业环境中,S型工业以太网也具有非常高的可靠性,完全能满足火电厂的要求。
With the rapid development of microelectronics,computer and communications, industrial control network has also constantly developed,from Distributed Control System(DCS)which based on analog signals transmission,fieldbus which is digital,intelligent and entirely disperse,to industrial ethernet which appeared and rapidly developed in recent years.As a specific network,industrial control network has its own requests and characteristics compared with the commercial network,one of which is requiring high reliability.
Firstly,the dissertation gives a introduction to the research status,application and fundamental theories of industrial Ethernet,then further research on the redundancy problem.There are some kinds of methods to deal with redundancy in industry Ethernet,which are STP(Spanning Tree Protocol),RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol),RapidRing and Trunking etc,but these methods can't satisfy the requirements of reliability in some special industry such as power plant.With the purpose of resolving this problem,the dissertation produce a scheme of S type redundancy industrial control communication based on dual rings topology applied in dustrial Ethernet.Making reference to IEC-62439,this scheme connect the two ring LAN by LRE(link redundancy entity)which is no direct connection in PRP(Parallei Redundancy Protocol)of IEC-62439,therefore,the reliability of industrial control network is improved greatly.When there are many link failures,the DAN between the send DAN and the receive DAN will transfer the frames from other LAN which are hindered.
Finally,the S type communication system simulation is carried out.The simulink environment is the 150MW Thermal Power Plant.The experimental results show that the scheme this dissertation proposed has a very high reliability,and completely satisfies the requirements of Thermal Power Plant,even under the condition of bad environment.
本文首先介绍了工业以太网的研究现状,应用情况和基本理论,然后对工业以太网中冗余问题进行了深入的研究。工业以太网中处理冗余问题的技术主要有:生成树协议、快速生成树协议和环网冗余等,但是这些技术都不能满足一些特殊的行业如火电厂对网络可靠性的要求。为了解决这个问题,本文提出一种基于双环工业以太网的通讯控制方案。该方案参照IEC-62439的标准,结合工业控制实际情况,将IEC-62439中PRP严格隔离的两个环网通过节点中的LRE在逻辑上连接起来,最大限度的提高工业控制网的可靠性。当网络中出现多处连接故障时,中间节点将因网络故障无法发送出去的数据帧通过LRE的调度在另外一个网络中发送。
最后,我们对S型工业以太网进行了仿真,仿真环境以一个150MW的火电厂为背景。结果表明即使在恶劣的工业环境中,S型工业以太网也具有非常高的可靠性,完全能满足火电厂的要求。
With the rapid development of microelectronics,computer and communications, industrial control network has also constantly developed,from Distributed Control System(DCS)which based on analog signals transmission,fieldbus which is digital,intelligent and entirely disperse,to industrial ethernet which appeared and rapidly developed in recent years.As a specific network,industrial control network has its own requests and characteristics compared with the commercial network,one of which is requiring high reliability.
Firstly,the dissertation gives a introduction to the research status,application and fundamental theories of industrial Ethernet,then further research on the redundancy problem.There are some kinds of methods to deal with redundancy in industry Ethernet,which are STP(Spanning Tree Protocol),RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol),RapidRing and Trunking etc,but these methods can't satisfy the requirements of reliability in some special industry such as power plant.With the purpose of resolving this problem,the dissertation produce a scheme of S type redundancy industrial control communication based on dual rings topology applied in dustrial Ethernet.Making reference to IEC-62439,this scheme connect the two ring LAN by LRE(link redundancy entity)which is no direct connection in PRP(Parallei Redundancy Protocol)of IEC-62439,therefore,the reliability of industrial control network is improved greatly.When there are many link failures,the DAN between the send DAN and the receive DAN will transfer the frames from other LAN which are hindered.
Finally,the S type communication system simulation is carried out.The simulink environment is the 150MW Thermal Power Plant.The experimental results show that the scheme this dissertation proposed has a very high reliability,and completely satisfies the requirements of Thermal Power Plant,even under the condition of bad environment.
引文
[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社,1999.68-102
[2]方晓柯.现场总线网络技术的研究[D]东北大学,2005.42-60
[3]熊育悦,赵哲身等.工业以太网在控制系统中的应用前景,仪表技术,2002 3.37-39
[4]陈积明,王智,孙优贤,工业以太网的研究现状及展望,化工自动化及仪表,2001,28(6):1-4
[5]储春华,李志俊.工业以太网技术的发展现状与前景,仪表技术,2005 6.62-69
[6]王荣莉,雷斌.工业以太网技术的现状与发展自动化博览,2004 4.
[7]杨亦荣,朱善安,明静.Ethernet/IP在工业实时控制中应用的研究.机电工程.2002.19(6):39-42
[8]W.Richard StCvens.TCP/IP详解,卷1:协议.范建华,晋光辉,张涛等译.北京机械工业出版社,2000.4
[9]王波.基于交换式工业以太网研究[J].重工与起重技术,2004,(2)
[10]储春华,李志俊.工业以太网技术的发展现状与前景.仪表技术,2005年第6期62-64
[11]工业以太网在工业自动化系统中应用及前景.http://www.ca800.com/news/html/2007-9-10/n70428.html
[12]张合泉,王加乐.北皂煤矿首建井下百兆工业以太网[N].科技日报,2006-3-10.
[13]戚奇卫.基于双环冗余网络的工业控制以太网在高速公路隧道领域的成功应用.公路交通科技(应用技术版),2006-03-05 5.149-151
[14]陈征,杨新志,“工业以太网及其应用技术”讲座 第7讲工业以太网的高可用性,2003-10
[15]曾云,工业以太网的系统设计与应用研究,[硕士学位论文],武汉大学2005
[16]W.Richard StCvens.TCP/IP详解,卷1:协议.范建华,晋光辉.张涛等译.北京机械工业出版社,2000.4
[17]W.Richard StCvens.TCP/IP详解,卷2:实现.范建华,肯光辉,张祷等泽.北京机械工业出版社,2000.4
[18]李华,范忠礼.千兆位以太网的协议体系及拓扑结构.世界网络与多媒体.2000,8(10):50-52
[19]乔志江.千兆以太网的协议体系及网络拓扑.沈阳电力高等专科学校学报.2001.3(3):43-45.
[20]张欣,生成树协议及其优化策略,科技信息2006年第8期.5-6
[21]郭彦伟,郑建德,生成树协议与交换网络环路研究,厦门大学学报(自然科学版)2006.5.301-304
[22]李嘉,杨佃福,引入以太网技术是现场总线技术发展的一个必然趋势,自动化仪表,2001.5
[23]王廷尧,马克城.以太网技术基础讲座(四):以太网帧结构.中国无线电电子学、电信技术类核心期刊.2002(6):55-59
[24]裴俊峰,现场总线技术在电厂的应用探讨,电力建设,2006,7
[25]徐明 杨平 应启曳 彭道刚,现场总线技术在电厂中的应用,控制系统,2006年第22卷第1-1期22-26
[26]李嘉,杨佃福,引入以太网技术是现场总线技术发展的一个必然趋势,自动化仪表,2001.5 1-4
[27]IEEE.802.1D IEEE Standard for Local and metropolitan area networks:Media A ccess Control(MAC)Bridges[S].1998.58-110
[28]郭彦伟,郑建德,生成树协议与交换网络环路研究.厦门大学学报,2006.5.301-302
[29]张劲松,徐忠根,快速生成树协议端口角色选择算法的研究,西南民族大学学报,2005年5月,第31卷第2期,289-293
[30]IEEE.802.1W-2001 Standard for local and metropolitan area networks:Media Ac cess Control(MAC)Bridges-Amendment 2:Rapid Reconfiguration[S].2001.24-73.
[31]周明月.工控系统中的工业以太网.科讯咨询导报2007.NO.20 30-31
[32]田妍,王中,付立政.宽带接入交换机中Trunking的设计与实现.小型微型计算机系统.2002年 11月 第23卷 第11期1317-1320
[33]IEC 62439:Industrial Communication Networks:High Availability Automation [S].Genevese:IEC,2007:10-12
[34]李文,应启戛.工业以太网与电厂综合自动化系统集成研究[J]发电设备,2005,01
[35]Katsuhiko Sekiguchi,Michio Masui.Electric power system protection and contr ol system and distributed control system.US Patent Issued on July 20,1999
[36]王常力.现场总线与DCS.讨论与实践[J].自动化博览,1999,(5).
[37]方晓柯.现场总线网络技术的研究[D]东北大学,2005.
[38]阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M].清华大学出版社,2003
[39]Karen Webb著.李逢天,张帆译.组建Cisco多层交换网络[M].人民邮电出版社,2001-04
[40]李文,应启戛.工业以太网与电厂综合自动化系统集成研究[J]发电设备,2005,(01).
[41]Katsuhiko Sekiguchi,Michio Masui."Electric power system protection and control system and distributed control system ".US Patent Issued on July 20,1999
[42]张凤登,陆文华,程卫国.现场总线与电厂综合自动化系统集成技术[J].动力工程,2001,(03)
[43]冉懋海,工业以太网技术在变电站自动化系统中的实时性研究[硕士学位论文],成都:西南交通大学.2006 37-39.
[2]方晓柯.现场总线网络技术的研究[D]东北大学,2005.42-60
[3]熊育悦,赵哲身等.工业以太网在控制系统中的应用前景,仪表技术,2002 3.37-39
[4]陈积明,王智,孙优贤,工业以太网的研究现状及展望,化工自动化及仪表,2001,28(6):1-4
[5]储春华,李志俊.工业以太网技术的发展现状与前景,仪表技术,2005 6.62-69
[6]王荣莉,雷斌.工业以太网技术的现状与发展自动化博览,2004 4.
[7]杨亦荣,朱善安,明静.Ethernet/IP在工业实时控制中应用的研究.机电工程.2002.19(6):39-42
[8]W.Richard StCvens.TCP/IP详解,卷1:协议.范建华,晋光辉,张涛等译.北京机械工业出版社,2000.4
[9]王波.基于交换式工业以太网研究[J].重工与起重技术,2004,(2)
[10]储春华,李志俊.工业以太网技术的发展现状与前景.仪表技术,2005年第6期62-64
[11]工业以太网在工业自动化系统中应用及前景.http://www.ca800.com/news/html/2007-9-10/n70428.html
[12]张合泉,王加乐.北皂煤矿首建井下百兆工业以太网[N].科技日报,2006-3-10.
[13]戚奇卫.基于双环冗余网络的工业控制以太网在高速公路隧道领域的成功应用.公路交通科技(应用技术版),2006-03-05 5.149-151
[14]陈征,杨新志,“工业以太网及其应用技术”讲座 第7讲工业以太网的高可用性,2003-10
[15]曾云,工业以太网的系统设计与应用研究,[硕士学位论文],武汉大学2005
[16]W.Richard StCvens.TCP/IP详解,卷1:协议.范建华,晋光辉.张涛等译.北京机械工业出版社,2000.4
[17]W.Richard StCvens.TCP/IP详解,卷2:实现.范建华,肯光辉,张祷等泽.北京机械工业出版社,2000.4
[18]李华,范忠礼.千兆位以太网的协议体系及拓扑结构.世界网络与多媒体.2000,8(10):50-52
[19]乔志江.千兆以太网的协议体系及网络拓扑.沈阳电力高等专科学校学报.2001.3(3):43-45.
[20]张欣,生成树协议及其优化策略,科技信息2006年第8期.5-6
[21]郭彦伟,郑建德,生成树协议与交换网络环路研究,厦门大学学报(自然科学版)2006.5.301-304
[22]李嘉,杨佃福,引入以太网技术是现场总线技术发展的一个必然趋势,自动化仪表,2001.5
[23]王廷尧,马克城.以太网技术基础讲座(四):以太网帧结构.中国无线电电子学、电信技术类核心期刊.2002(6):55-59
[24]裴俊峰,现场总线技术在电厂的应用探讨,电力建设,2006,7
[25]徐明 杨平 应启曳 彭道刚,现场总线技术在电厂中的应用,控制系统,2006年第22卷第1-1期22-26
[26]李嘉,杨佃福,引入以太网技术是现场总线技术发展的一个必然趋势,自动化仪表,2001.5 1-4
[27]IEEE.802.1D IEEE Standard for Local and metropolitan area networks:Media A ccess Control(MAC)Bridges[S].1998.58-110
[28]郭彦伟,郑建德,生成树协议与交换网络环路研究.厦门大学学报,2006.5.301-302
[29]张劲松,徐忠根,快速生成树协议端口角色选择算法的研究,西南民族大学学报,2005年5月,第31卷第2期,289-293
[30]IEEE.802.1W-2001 Standard for local and metropolitan area networks:Media Ac cess Control(MAC)Bridges-Amendment 2:Rapid Reconfiguration[S].2001.24-73.
[31]周明月.工控系统中的工业以太网.科讯咨询导报2007.NO.20 30-31
[32]田妍,王中,付立政.宽带接入交换机中Trunking的设计与实现.小型微型计算机系统.2002年 11月 第23卷 第11期1317-1320
[33]IEC 62439:Industrial Communication Networks:High Availability Automation [S].Genevese:IEC,2007:10-12
[34]李文,应启戛.工业以太网与电厂综合自动化系统集成研究[J]发电设备,2005,01
[35]Katsuhiko Sekiguchi,Michio Masui.Electric power system protection and contr ol system and distributed control system.US Patent Issued on July 20,1999
[36]王常力.现场总线与DCS.讨论与实践[J].自动化博览,1999,(5).
[37]方晓柯.现场总线网络技术的研究[D]东北大学,2005.
[38]阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M].清华大学出版社,2003
[39]Karen Webb著.李逢天,张帆译.组建Cisco多层交换网络[M].人民邮电出版社,2001-04
[40]李文,应启戛.工业以太网与电厂综合自动化系统集成研究[J]发电设备,2005,(01).
[41]Katsuhiko Sekiguchi,Michio Masui."Electric power system protection and control system and distributed control system ".US Patent Issued on July 20,1999
[42]张凤登,陆文华,程卫国.现场总线与电厂综合自动化系统集成技术[J].动力工程,2001,(03)
[43]冉懋海,工业以太网技术在变电站自动化系统中的实时性研究[硕士学位论文],成都:西南交通大学.2006 37-39.