POWERINK冗余网络拓扑在流程工业中的应用

在流程工业中，高可用性（有效性）至关重要，关键的应用必须确保安全可靠性，需要通过一种方式来阻止由于硬件损坏或者电缆受损时导致的功能性中断，这便是通过中央控制单元的冗余来实现，如果IPC当机，第二个单元需要立即通知故障并且接管失效单元的任务，阻止正在操作的任务延迟，另一个要达到高可用性（有效性）的必要条件是线缆及控制故障定位。
阿尔斯通是EPSG（POWERLINK标准组织）的成员之一，活跃于全球能源和运输领域。公司基于POWERLINK研发了一套冗余系统，具有响应时间短、实时同步性高、高传输速率及易于诊断的特点。

挑战
阿尔斯通之前仅使用”工厂执行协议FIP”，除非有必要使用另一个现场总线解决方案，在我们最新的过程序列中，现在的数据量已经超过了FIP的带宽，项目经理 斯戴芬.宝特赫说：“因此我们需要一个能够处理更加大量的实时数据并且适应冗余拓扑的总线备选方案。

系统的选择
宝特赫解释了阿尔斯通的评判标准，重要的不仅仅在于诸如带宽之类的技术性能，也包括系统的标准化，毕竟选择一个新技术总是带来很多投资保护的问题。
因此，控制技术需要保持长期的可用及透明度，我们深信Ethernet POWERLINK的开放性允许我们开发适应任何过程的应用。此外，阿尔斯通要求整厂一致的方案。“我们在寻找一个实时且具有确定性的网络以能够使得我们的集中过程通过分布的I/O来实现。”Potier如是说到。阿尔斯通的系统专家们罗列出系统的需求后，复杂的决策过程持续了几个月的时间，工程师们采用一个优先等级矩阵来对不同的符合条件的总线系统进行优点和缺点的比较分析，权衡利弊，阿尔斯通最终选择了Ethernet POWERLINK及ProfiNet-IRT，这两个总线满足了所有的需求及所期望的高速率，由于ProfiNet IRT那时候尚未正式在市场发布，真正的选择就很清楚了。

POWERLINK历史
POWERLINK是由一家奥地利控制技术制造商—贝加莱（B&R）在2001年开发的。贝加莱的目标是通过在IEEE802.3标准以太网协议的扩展在微秒级上实现实时数据传输。
POWERLINK对于其它的开发者而言是开放的，在2002年，它由一个民主开放的EPSG组织领导，2003年，EPSG表决通过POWERLINK V2技术规范，它最重要的扩展是标准化了基于CANopen标准定义的机制的应用接口。

POWERLINK
POWERLINK的关键特性在于对网络上设备的时钟管理，不像标准以太网系统，在那里，传输速度依赖于数据量，POWERLINK扩展性采用了时间槽的方法，这能够确保数据交换的同步性，为了使得数据传输同步，应用了整个带宽并且阻止了数据冲突，在一个POWERLINK总线内的设备被指派了管理节点（MN）功能，而同时所有其它设备则扮演一个受控节点（CN），MN通过在一个时钟循环内发送请求（Poll 请求帧，PR eq）,包括一个响应帧（PR es）给所有的受控节点，来定义所有设备同步的时钟脉冲并控制数据通信。由于以太网是一个广播系统，所有的网络节点能够接收数据，一个POWERLINK循环由四个周期构成，在“启动”周期，MN发送循环帧启动（SoC）给所有CN使得设备同步。
循环的同步数据交换在第二个周期（循环周期）内发生，下面的”非同步周期”使得非实时数据传输得以实现。一个”空闲”周期完成了整个循环，由于时间槽方法阻止了不同设备同时发送数据，在网段内HUB的数量不受限制，这允许用户实现任意拓扑结构，在任意一个网段，各自的MN可以被指派多达240个受控节点，更多的POWERLINK优势在于这个基于软件实现方式及已存的标准化，一个循环由实时Poll请求和Poll响应的实时脉冲及用于传输非实时数据的非实时脉冲构成。
通过其它组织的工作，在这个领域提供了许多优势，我们已经在冗余技术方面积累了丰富的经验，我们能够定位我们公司的开发前瞻性并且给予高可用性标准化巨大贡献。

解决方案
Alstom冗余模式是按照如下设计的：两个或更多的冗余管理节点（RMN）在网络层次的顶端，只有一个作为主动管理节点AMN，其它保持Stand-by（SMN）状态并扮演一个受控节点。SMN和CN的唯一不同在于SMN持续的监控所有网络及CN功能，在紧急情况下，这能使得SMN具有AMB功能作为网络内的一个RMN，每个RMN必须能够配置所有网络设备，其它RMN也不例外。这个冗余模式允许一个大范围的拓扑方式。RMN可以通过HUB访问一个简单的网络层，一个可行的设计是将RMN和CN放在一个环形内，封闭了网络结构内，第三个对阿尔斯通有利的方面包括冗余数据线，能够保护总线不仅在MN失效，而且在总线电缆失效和故障的情况下运行。

网络管理状态
阿尔斯通的开发者们必须进行很多针对网络状态的改变，以能够使得系统集成多个冗余管理站，由于POWERLINK最初只允许对一个MN进行操作，网络管理站NMT是一个基于CAN Open的监测及控制服务。每个网络设备有一个NMT状态机器，这可以提供从MN的NMT主站获得请求及操作状态信息，定义了四个状态分别是，初始化，预操作，可操作和停止，在初始化阶段，不允许设备启动并且激活网络，在预操作阶段，设备对网络参数进行同步，但是还不能开始传输数据，可操作表示单元完全可操作的，停止意味着设备从网络断开，只接受一个NMT指令，为了冗余操作，MN可以在任何时候承担控制功能，编程者增加一个第五状态（Stand By）给NMT状态机器，在预操作阶段，RMN检查总线状态，如果没有相关的信号被侦测到，它就切换到激活模式，并且扮演一个AMN功能，如果RMN检测到网络活动，它就会在操作模式切换到等待模式，但是将会以一个标准CN进入系统。

连接选择器
除了堆栈更换，阿尔斯通的专家们开发了连接选择器，这个创新使得网络能够对冗余数据线进行操作。与HUB相似，它连接了数据行输入和受控节点，扮演了一个关联操作者的角色，并且将信号输送线与CN相连，如果一个线路中断，开关切换到另一个。电缆断掉也能通过连接选择器发送信息来定位。

应用
在完成所有模式及技术开发后，阿尔斯通进入一个仿真阶段，在阿尔斯通的工业化安装中，系统是否能够适应特殊过程必须通过基于计算机模式进行验证。重中之重，仿真确定我们的初步估计，这展现了100Mbps以太网足以满足数据负载的要求。结果是，我们创造了丰富的特殊过程，并测试了在这些情况下的系统功能，Potier描述了这个漫长的仿真阶段，我们不能在确认之前投入操作，除非它如我们所愿的那样工作。

结果
阿尔斯通为结果所鼓舞，我们现在有了一个现场网络可以满足我们所有的要求，系统有一个非常清晰的层次，其它优点在于它支持热插拔，对于连接附加设备到系统里无需任何配置方面的努力，此外，我们可以轻松的集成网络配置到工程设计的工具中去，由于POWERLINK是一个基于CAN Open的网络，但是最重要的事情在于这个系统属于我们，我们知道开发的过程，有所有可以进入的资源在需要时进行更深入的开发，新的功能将被在EPSG标准并且是开放给任何人的。

阿尔斯通为水电、燃气、燃煤、等利用各类能源资源的发电厂提供交钥匙整合电厂方案、设备和相关服务。

展望
POWERLINK技术的开放和便捷已经给了阿尔斯通的专家们下一步的想法，第一步执行POWERLINK已经成功，我们现在开始集成POWERLINK到我们的所有产品范围中去，下一步，将采用POWERLINK Safety技术，这可以使得SIL 3 应用于机器和工厂保护，安全是一个EPSG新的开发方向，它规定了在控制失效下的网络紧急关闭方法，而且，我们已经在考虑集成连接控制器在控制器内，另一个潜在的项目是开发网络时间戳来与GPS时钟同步，在今后的研发过程中，会有更多的可能。