工廠的生產(chǎn)工藝對(duì)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)提出了高可用性的要求，為此，國(guó)際電工委員會(huì)制定了IEC62439國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)用高可用性網(wǎng)絡(luò)的基本概念和幾種高可用性網(wǎng)絡(luò)的工作原理，對(duì)高可用性網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)做簡(jiǎn)要介紹，希望能對(duì)讀者有所裨益。
1.高可用自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的概念
1.1網(wǎng)絡(luò)失效的恢復(fù)
工廠要依靠自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行。工廠僅能容忍自動(dòng)化系統(tǒng)短時(shí)的失效，這個(gè)時(shí)間被稱(chēng)為容許時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間應(yīng)該小于這個(gè)容許時(shí)間，在工廠回到正常運(yùn)行狀態(tài)之前，應(yīng)用必須要執(zhí)行額外的任務(wù)（與協(xié)議、數(shù)據(jù)處理、下一個(gè)通信周期的等待相關(guān)）。應(yīng)用可以按他們的容許時(shí)間進(jìn)行分類(lèi)，見(jiàn)表1。
表1 ――應(yīng)用容許的時(shí)間
應(yīng)用 | 容許時(shí)間 |
非實(shí)時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)，如：企業(yè)資源計(jì)劃，制造執(zhí)行系統(tǒng) | <10 s |
通用自動(dòng)化，如：人機(jī)界面，SCADA，樓宇自動(dòng)化 | <1 s |
工廠自動(dòng)化，如：制造自動(dòng)化，過(guò)程自動(dòng)化，電廠 | <100 ms |
實(shí)時(shí)自動(dòng)化，如：同步驅(qū)動(dòng)器,機(jī)器人控制，變電站 | <10 ms |
當(dāng)有些工廠需要連續(xù)運(yùn)行時(shí)，要求就會(huì)更加嚴(yán)格，不許有停機(jī)時(shí)間，只能在大修時(shí)間段進(jìn)行維護(hù)和再配置。在這種情況下，容許時(shí)間就是這個(gè)嚴(yán)格要求，比如，這就規(guī)定了設(shè)備部件的熱切換的時(shí)間。
自動(dòng)化系統(tǒng)可以用不同的冗余方法來(lái)解決失效問(wèn)題。方法的不同在于怎樣進(jìn)行冗余, 但他們的關(guān)鍵性能要素都是恢復(fù)時(shí)間，比如，在中斷發(fā)生后恢復(fù)運(yùn)行所需的時(shí)間。如果恢復(fù)時(shí)間超過(guò)了工廠容許時(shí)間，保護(hù)機(jī)制會(huì)引發(fā)（安全）停車(chē)，這可能會(huì)使生產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。
恢復(fù)時(shí)間的一個(gè)關(guān)鍵特性是它的確定性，比如，保證恢復(fù)時(shí)間肯定低于某個(gè)特定值，滿(mǎn)足基本要求（某個(gè)時(shí)間的單一失效，沒(méi)有共模失效，小于最大容許時(shí)間）。
無(wú)論工廠是否依靠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，增加網(wǎng)絡(luò)的可用性都是非常必要的。這里不討論使用元件的可靠性或者增加維護(hù)來(lái)提高可用性。我們只考慮系統(tǒng)一旦失效，協(xié)議帶來(lái)的冗余功能，以及如何自動(dòng)重新配置網(wǎng)絡(luò)中的元件。
1.2網(wǎng)絡(luò)冗余的分類(lèi)
考慮兩類(lèi)網(wǎng)絡(luò)冗余：
? 在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的冗余管理；
? 在終節(jié)點(diǎn)的冗余管理。
在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的冗余管理
網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的冗余應(yīng)用在廣域網(wǎng)上，以前現(xiàn)場(chǎng)總線3層路由器會(huì)根據(jù)鏈接失效計(jì)算可變的路徑。相應(yīng)的協(xié)議作為IP簇的一部分，已經(jīng)得到很好的驗(yàn)證。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，恢復(fù)時(shí)間為幾十秒，或者要幾分鐘。這種恢復(fù)時(shí)間僅能被很緩慢的應(yīng)用所接受。
自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通常運(yùn)行在一個(gè)的局域網(wǎng)（LAN）上，比如，操作的報(bào)文穿通常梭于1層的重發(fā)器或者2層的交換機(jī)之間，但不會(huì)跨越路由器。雖然通過(guò)路由器或者防火墻發(fā)出和進(jìn)入的報(bào)文確實(shí)存在，但不是關(guān)鍵和主要的。
傳統(tǒng)上，在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的冗余由協(xié)議來(lái)處理，當(dāng)連接丟失后，重新配置局域網(wǎng)，并進(jìn)行切換。使用冗余連接并切換的方法有：根據(jù)IEEE 802.1D標(biāo)準(zhǔn)的快速生成樹(shù)協(xié)議（RSTP）。
改進(jìn)的2層冗余協(xié)議建立在與RSTP相似的原理上，但提供了一種更快的恢復(fù)，它是根據(jù)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)具有環(huán)行拓?fù)涞募俣ǘO(shè)計(jì)。終節(jié)點(diǎn)（end node）是不變化的自動(dòng)化節(jié)點(diǎn)。
在終節(jié)點(diǎn)內(nèi)的冗余管理
對(duì)恢復(fù)時(shí)間的進(jìn)一步加快需要在終節(jié)點(diǎn)內(nèi)管理冗余，需要配備多個(gè)、冗余連接的終節(jié)點(diǎn)。通常，雙重連接（doubly attached）終節(jié)點(diǎn)提供了兩通道冗余。這種類(lèi)型的冗余，不用考慮在局域網(wǎng)內(nèi)的切換。
對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用，例如：同步驅(qū)動(dòng)器，并行運(yùn)行對(duì)斷開(kāi)的網(wǎng)絡(luò)保證了無(wú)間斷的恢復(fù)，但需要網(wǎng)絡(luò)的完全雙重化。有些關(guān)鍵應(yīng)用還需要雙重連接節(jié)點(diǎn)，來(lái)對(duì)付單一連接失效，甚至都沒(méi)有恢復(fù)時(shí)間。
