基于工业以太网的高可用性网络冗余技术研究与开发

随着计算机网络、通信和控制技术的发展，以太网技术在工业控制领域中的应用倍受关注。但控制系统对高可用性和稳定性的要求限制了工业以太网的发展。同时面对国内工业生产的安全现状，基于工业以太网技术的控制系统越来越多的被用于安全仪表系统（Safety Instrumented System SIS）中，所以迫切需要开展总线安全技术的研究工作，提高工业以太网控制系统的安全性和可用性。 为了满足总线控制系统对工业以太网的安全性和可用性要求，本文重点研究了基于工业以太网的高可用性网络技术，提出了三种网络冗余协议，描述了设计和开发过程，最后，通过实验数据给出了性能分析。 论文首先介绍了工业以太网和高可用性网络技术在控制领域的应用情况。分析了目前普遍应用的环网冗余技术，包括通用的生成树协议、快速生成树协议和自动化厂商自己开发的专用环网冗余协议。讨论了以上环网冗余协议在高可用性控制系统中应用的不足。 论文针对环网冗余协议在故障恢复时间等方面的不足，设计了三种基于工业以太网的网络冗余协议：单网冗余协议、双网备份冗余协议和双网并行冗余协议。本文所设计的网络冗余协议都要求将冗余管理下放到节点设备，实现分布式的冗余管理，冗余节点和非冗余节点能够同时在网络中并存，而且所有的冗余管理对于上层应用协议具有透明性。但是每种网络冗余协议在拓扑结构、故障探测和故障恢复方面各不相同。结合EPA（Ethernet for Plant Automation EPA）通信协议栈，选择合适的软硬件环境，本文实现了所设计的三种网络冗余协议，包括协议栈结构，帧结构和通信过程。 为了对网络冗余协议的进行功能测试和性能评估，论文提出了故障恢复时间，故障定位时间等评估指标，在实验室环境下搭建了测试网络平台，针对每个评估指标设计了测试方案，最后给出了每个网络冗余协议的性能和测试结果。