在流程工業(yè)中，高可用性（有效性）至關(guān)重要，關(guān)鍵的應用必須確保安全可靠性，需要通過(guò)一種方式來(lái)阻止由于硬件損壞或者電纜受損時(shí)導致的功能性中斷，這便是通過(guò)中央控制單元的冗余來(lái)實(shí)現，如果IPC當機，第二個(gè)單元需要立即通知故障并且接管失效單元的任務(wù)，阻止正在操作的任務(wù)延遲，另一個(gè)要達到高可用性（有效性）的必要條件是線(xiàn)纜及控制故障定位。

　　阿爾斯通是EPSG（POWERLINK標準組織）的成員之一，活躍于全球能源和運輸領(lǐng)域。公司基于POWERLINK研發(fā)了一套冗余系統，具有響應時(shí)間短、實(shí)時(shí)同步性高、高傳輸速率及易于診斷的特點(diǎn)。

　　挑戰

　　阿爾斯通之前僅使用”工廠(chǎng)執行協(xié)議FIP”，除非有必要使用另一個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)解決方案，在我們最新的過(guò)程序列中，現在的數據量已經(jīng)超過(guò)了FIP的帶寬，項目經(jīng)理 斯戴芬.寶特赫說(shuō)：“因此我們需要一個(gè)能夠處理更加大量的實(shí)時(shí)數據并且適應冗余拓撲的總線(xiàn)備選方案。 

　　系統的選擇

　　寶特赫解釋了阿爾斯通的評判標準，重要的不僅僅在于諸如帶寬之類(lèi)的技術(shù)性能，也包括系統的標準化，畢竟選擇一個(gè)新技術(shù)總是帶來(lái)很多投資保護的問(wèn)題。

　　因此，控制技術(shù)需要保持長(cháng)期的可用及透明度，我們深信Ethernet POWERLINK的開(kāi)放性允許我們開(kāi)發(fā)適應任何過(guò)程的應用。此外，阿爾斯通要求整廠(chǎng)一致的方案?！拔覀冊趯ふ乙粋€(gè)實(shí)時(shí)且具有確定性的網(wǎng)絡(luò )以能夠使得我們的集中過(guò)程通過(guò)分布的I/O來(lái)實(shí)現?！盤(pán)otier如是說(shuō)到。阿爾斯通的系統專(zhuān)家們羅列出系統的需求后，復雜的決策過(guò)程持續了幾個(gè)月的時(shí)間，工程師們采用一個(gè)優(yōu)先等級矩陣來(lái)對不同的符合條件的總線(xiàn)系統進(jìn)行優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的比較分析，權衡利弊，阿爾斯通最終選擇了Ethernet POWERLINK及ProfiNet-IRT，這兩個(gè)總線(xiàn)滿(mǎn)足了所有的需求及所期望的高速率，由于ProfiNet IRT那時(shí)候尚未正式在市場(chǎng)發(fā)布，真正的選擇就很清楚了。 

　　POWERLINK歷史

　　POWERLINK是由一家?jiàn)W地利控制技術(shù)制造商—貝加萊（B&R）在2001年開(kāi)發(fā)的。貝加萊的目標是通過(guò)在IEEE802.3標準以太網(wǎng)協(xié)議的擴展在微秒級上實(shí)現實(shí)時(shí)數據傳輸。

　　POWERLINK對于其它的開(kāi)發(fā)者而言是開(kāi)放的，在2002年，它由一個(gè)民主開(kāi)放的EPSG組織領(lǐng)導，2003年，EPSG表決通過(guò)POWERLINK V2技術(shù)規范，它最重要的擴展是標準化了基于CANopen標準定義的機制的應用接口。 

　　POWERLINK

　　POWERLINK的關(guān)鍵特性在于對網(wǎng)絡(luò )上設備的時(shí)鐘管理，不像標準以太網(wǎng)系統，在那里，傳輸速度依賴(lài)于數據量，POWERLINK擴展性采用了時(shí)間槽的方法，這能夠確保數據交換的同步性，為了使得數據傳輸同步，應用了整個(gè)帶寬并且阻止了數據沖突，在一個(gè)POWERLINK總線(xiàn)內的設備被指派了管理節點(diǎn)（MN）功能，而同時(shí)所有其它設備則扮演一個(gè)受控節點(diǎn)（CN），MN通過(guò)在一個(gè)時(shí)鐘循環(huán)內發(fā)送請求（Poll 請求幀，PR eq）,包括一個(gè)響應幀（PR es）給所有的受控節點(diǎn)，來(lái)定義所有設備同步的時(shí)鐘脈沖并控制數據通信。由于以太網(wǎng)是一個(gè)廣播系統，所有的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)能夠接收數據，一個(gè)POWERLINK循環(huán)由四個(gè)周期構成，在“啟動(dòng)”周期，MN發(fā)送循環(huán)幀啟動(dòng)（SoC）給所有CN使得設備同步。

　　循環(huán)的同步數據交換在第二個(gè)周期（循環(huán)周期）內發(fā)生，下面的”非同步周期”使得非實(shí)時(shí)數據傳輸得以實(shí)現。一個(gè)”空閑”周期完成了整個(gè)循環(huán)，由于時(shí)間槽方法阻止了不同設備同時(shí)發(fā)送數據，在網(wǎng)段內HUB的數量不受限制，這允許用戶(hù)實(shí)現任意拓撲結構，在任意一個(gè)網(wǎng)段，各自的MN可以被指派多達240個(gè)受控節點(diǎn)，更多的POWERLINK優(yōu)勢在于這個(gè)基于軟件實(shí)現方式及已存的標準化，一個(gè)循環(huán)由實(shí)時(shí)Poll請求和Poll響應的實(shí)時(shí)脈沖及用于傳輸非實(shí)時(shí)數據的非實(shí)時(shí)脈沖構成。

　　通過(guò)其它組織的工作，在這個(gè)領(lǐng)域提供了許多優(yōu)勢，我們已經(jīng)在冗余技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗，我們能夠定位我們公司的開(kāi)發(fā)前瞻性并且給予高可用性標準化巨大貢獻。

　　解決方案

　　Alstom冗余模式是按照如下設計的：兩個(gè)或更多的冗余管理節點(diǎn)（RMN）在網(wǎng)絡(luò )層次的頂端，只有一個(gè)作為主動(dòng)管理節點(diǎn)AMN，其它保持Stand-by（SMN）狀態(tài)并扮演一個(gè)受控節點(diǎn)。SMN和CN的唯一不同在于SMN持續的監控所有網(wǎng)絡(luò )及CN功能，在緊急情況下，這能使得SMN具有AMB功能作為網(wǎng)絡(luò )內的一個(gè)RMN，每個(gè)RMN必須能夠配置所有網(wǎng)絡(luò )設備，其它RMN也不例外。這個(gè)冗余模式允許一個(gè)大范圍的拓撲方式。RMN可以通過(guò)HUB訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )層，一個(gè)可行的設計是將RMN和CN放在一個(gè)環(huán)形內，封閉了網(wǎng)絡(luò )結構內，第三個(gè)對阿爾斯通有利的方面包括冗余數據線(xiàn)，能夠保護總線(xiàn)不僅在MN失效，而且在總線(xiàn)電纜失效和故障的情況下運行。 

　　網(wǎng)絡(luò )管理狀態(tài)

　　阿爾斯通的開(kāi)發(fā)者們必須進(jìn)行很多針對網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)的改變，以能夠使得系統集成多個(gè)冗余管理站，由于POWERLINK最初只允許對一個(gè)MN進(jìn)行操作，網(wǎng)絡(luò )管理站NMT是一個(gè)基于CAN Open的監測及控制服務(wù)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備有一個(gè)NMT狀態(tài)機器，這可以提供從MN的NMT主站獲得請求及操作狀態(tài)信息，定義了四個(gè)狀態(tài)分別是，初始化，預操作，可操作和停止，在初始化階段，不允許設備啟動(dòng)并且激活網(wǎng)絡(luò )，在預操作階段，設備對網(wǎng)絡(luò )參數進(jìn)行同步，但是還不能開(kāi)始傳輸數據，可操作表示單元完全可操作的，停止意味著(zhù)設備從網(wǎng)絡(luò )斷開(kāi)，只接受一個(gè)NMT指令，為了冗余操作，MN可以在任何時(shí)候承擔控制功能，編程者增加一個(gè)第五狀態(tài)（Stand By）給NMT狀態(tài)機器，在預操作階段，RMN檢查總線(xiàn)狀態(tài)，如果沒(méi)有相關(guān)的信號被偵測到，它就切換到激活模式，并且扮演一個(gè)AMN功能，如果RMN檢測到網(wǎng)絡(luò )活動(dòng)，它就會(huì )在操作模式切換到等待模式，但是將會(huì )以一個(gè)標準CN進(jìn)入系統。 

　　連接選擇器

　　除了堆棧更換，阿爾斯通的專(zhuān)家們開(kāi)發(fā)了連接選擇器，這個(gè)創(chuàng )新使得網(wǎng)絡(luò )能夠對冗余數據線(xiàn)進(jìn)行操作。與HUB相似，它連接了數據行輸入和受控節點(diǎn)，扮演了一個(gè)關(guān)聯(lián)操作者的角色，并且將信號輸送線(xiàn)與CN相連，如果一個(gè)線(xiàn)路中斷，開(kāi)關(guān)切換到另一個(gè)。電纜斷掉也能通過(guò)連接選擇器發(fā)送信息來(lái)定位。 

　　應用

　　在完成所有模式及技術(shù)開(kāi)發(fā)后，阿爾斯通進(jìn)入一個(gè)仿真階段，在阿爾斯通的工業(yè)化安裝中，系統是否能夠適應特殊過(guò)程必須通過(guò)基于計算機模式進(jìn)行驗證。重中之重，仿真確定我們的初步估計，這展現了100Mbps以太網(wǎng)足以滿(mǎn)足數據負載的要求。結果是，我們創(chuàng )造了豐富的特殊過(guò)程，并測試了在這些情況下的系統功能，Potier描述了這個(gè)漫長(cháng)的仿真階段，我們不能在確認之前投入操作，除非它如我們所愿的那樣工作。 

　　結果

　　阿爾斯通為結果所鼓舞，我們現在有了一個(gè)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )可以滿(mǎn)足我們所有的要求，系統有一個(gè)非常清晰的層次，其它優(yōu)點(diǎn)在于它支持熱插拔，對于連接附加設備到系統里無(wú)需任何配置方面的努力，此外，我們可以輕松的集成網(wǎng)絡(luò )配置到工程設計的工具中去，由于POWERLINK是一個(gè)基于CAN Open的網(wǎng)絡(luò )，但是最重要的事情在于這個(gè)系統屬于我們，我們知道開(kāi)發(fā)的過(guò)程，有所有可以進(jìn)入的資源在需要時(shí)進(jìn)行更深入的開(kāi)發(fā)，新的功能將被在EPSG標準并且是開(kāi)放給任何人的。

　　阿爾斯通為水電、燃氣、燃煤、等利用各類(lèi)能源資源的發(fā)電廠(chǎng)提供交鑰匙整合電廠(chǎng)方案、設備和相關(guān)服務(wù)。

　　展望

　　POWERLINK技術(shù)的開(kāi)放和便捷已經(jīng)給了阿爾斯通的專(zhuān)家們下一步的想法，第一步執行POWERLINK已經(jīng)成功，我們現在開(kāi)始集成POWERLINK到我們的所有產(chǎn)品范圍中去，下一步，將采用POWERLINK Safety技術(shù)，這可以使得SIL 3 應用于機器和工廠(chǎng)保護，安全是一個(gè)EPSG新的開(kāi)發(fā)方向，它規定了在控制失效下的網(wǎng)絡(luò )緊急關(guān)閉方法，而且，我們已經(jīng)在考慮集成連接控制器在控制器內，另一個(gè)潛在的項目是開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )時(shí)間戳來(lái)與GPS時(shí)鐘同步，在今后的研發(fā)過(guò)程中，會(huì )有更多的可能。