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EPA简介 EPA（Ethernet for Plant Automation）是在国标化管理委员、全国工业过程测量与控制原则化技术委员会支持下，由浙江大学、浙江中控技术有限公司、中华人民共和国科学院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、清华大学、大连理工大学、上海工业自动化仪表研究所、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、北京华控技术有限责任公司等单位联合成立原则起草工作组，通过3年多技术攻关，而提出基于工业以太网实时通信控制系统解决方案。　　EPA实时以太网技术攻关，以国家"863"筹划CIMS主题系列课题"基于高速以太网技术现场总线控制设备"、"现场级无线以太网合同研究及设备开发"、"基于'蓝牙'技术工业现场设备、监控网络其及核心技术研究"，以及 "基于EPA分布式网络控制系统研究和开发"、"基于EPA产品开发仿真系统"等滚动课题为依托，先后解决了以太网用于工业现场设备间通信拟定性和实时性、网络供电、互可操作、网络安全、可靠性与抗干扰等核心性技术难题，开发了基于EPA分布式网络控制系统，一方面在化工、制药等生产装置上获得成功应用。　　在此基本上，原则起草工作组起草了国内第一种拥有自主知识产权现场总线国标《用于工业测量与控制系统EPA系统构造与通信规范》。同步，该原则被列入现场总线国际原则IEC 61158（第四版）中第十四类型，并列为与IEC 61158相配套实时以太网应用行规国际原则IEC 61784-2中第十四应用行规簇（Common Profile Family 14,CPF14），标志着中华人民共和国第一种拥有自主知识产权现场总线国际原则―――EPA得到国际电工委员会正式承认，并全面进入现场总线国际原则化体系。 EPA核心技术 1. 分布式精准时钟同步基于IEEE 1588精准时钟同步合同，EPA采用专利时钟同步技术，将网络中各节点间时钟同步精度控制在1us之内，满足时间同步规定高应用场合。 2. 拟定性通信针对普通以太网数据碰撞、报文传播延时和通信响应不拟定问题，EPA采用基于专利拟定性通信调度技术，变“随机发送”为“拟定发送”，实现了通信“拟定性”。将整个网络数据传播阶段分为周期数据传播阶段和非周期数据传播阶段： ① 在周期数据传播时段，创造了基于角色平等周期数据拟定性传播调度办法； ② 在非周期数据传播时段，创造了基于优先级抢占式调度非周期数据传播技术；通过该技术保证了EPA控制网络中数据传播拟定性。图1EPA基于专利拟定性通信调度技术 EPA继承了以太网报文格式，即不增长以太网数据链路层服务和TCP/IP接口参数，将以太网报文按一定期序和优先级发送到网络上，从而避免了报文冲突与碰撞，实现了工业数据传播拟定性。最为独特是，在EPA控制系统中，各设备通信角色地位平等，无主从之分，任何一种设备故障不会影响整个系统中其她设备通信，避免了主从式、令牌式通信控制方式中由于主站或令牌主站故障引起整个系统通信故障。 3. 强实时性通信 EPA基于专利实时通信办法，将以太网通信通道划分为三个某些：同步实时通道、非同步实时通道和非实时通道（如图2所示），其中： · 同步实时通道，用于传播有最高通信响应性能规定同步数据传播，其优先级最高。 · 非同步实时通道，用于传播有较高通信响应性能规定非同步数据传播，如组态数据等，其优先级次高。 · 非实时通道则用于传播HTTP等对通信实时性无特殊规定原则以太网报文，其优先级最低。实时数据得以优先传播，减少了通信排队解决延迟，提高了工业以太网通信实时性。图 2 EPA合同实时通道RTE与EPA非实时通道示意图 4. 网络可靠性与高可用性技术高可靠性与高可用性是工业控制网络核心，它规定在任一网络故障下，系统可以迅速探测到故障，并能在可接受时间范畴内恢复正常。针对工业控制网络高可靠性与高可用性规定，EPA定义了DRP合同（EPA分布式冗余网络合同）。对环形网络，它是基于专利积极并行故障探测技术，分散了故障风险，大大缩短了环形网络自愈时间。对核心终端设备，EPA基于专利数据并行传播与无扰动切换技术，实现了工作设备与备份设备自动无扰动切换。图 3 环型网络故障探测与恢复示意图并行冗余网络通信示意图 EPA原则体系 1.EPA概述 EPA是Ethernet for Plant Automation缩写，是一种全新基于实时以太网技术，其合用于测量、控制等工业场合，是一种双向、串行、多节点开放实时以太网数字通信技术。涉及EPA-RT(用于过程自动化)和EPA-FRT（用于工厂自动化）两某些。是国内自主制定第一项工业自动化国际原则。 · 5月8日，成为中华人民共和国第一种拥有自主产权现场总线国标（GB/T 1-） · 12月14日，成为中华人民共和国第一种拥有自主知识产权新一代现场总线国际原则（IEC61158/ Type 14） 12月14日，成为工业自动化领域由中华人民共和国主持制定第一种实时以太网国际原则（IEC 61784-2 /CPF14）n ，EPA冗余网络合同DRP被接受为高可用性国际原则（IEC62439-6） · 1月，EPA功能安全通信EPASafety被接受为功能安全国际原则（IEC61784-3-14） 5月，EPA线缆与安装技术被接受为国际原则（IEC61784-5-14） · EPA原则体系涉及EPA国际原则和EPA国标两某些。 2.EPA国际原则体系族 EPA国际原则体系，涉及1个核心技术国际原则和4个EPA应用技术原则。以EPA为核心系列国际原则为新一代控制系统提供了高性能现场总线完整解决方案，可广泛应用于过程自动化、工厂自动化（涉及数控系统、机器人系统运动控制等）、汽车电子等，可将工业公司综合自动化系统网络平台统一到开放以太网技术上来。基于EPAIEC国际原则体系 · EPA现场总线合同（IEC 61158/Type14）在不变化以太网构造前提下，定义了专利拟定性通信合同，避免工业以太网通信报文碰撞，保证了通信拟定性，同步也保证了通信过程中不丢包。 · EPA分布式冗余合同DRP（IEC62439-6）针对工业控制以及网络高可用性规定，DRP（Distributed Redundancy Protocol）采用专利设备并行数据传播管理和环网链路并行积极故障探测与恢复技术，实现了故障迅速定位与迅速恢复，保证了网络高可靠性。 · EPA功能安全通信合同EPASafety (IEC61784-3-14)针对工业数据通信中存在数据破坏、重传、丢失、插入、乱序、伪装、超时、寻址错误等风险，EPASafety功能安全通信合同采用专利工业数据加解密办法、工业数据传播多重风险综合评估与复合控制技术，将通信系统安全完整性水平提高到SIL3级别，并通过德国莱茵TÜV认证。 · EPA实时以太网应用技术合同 (IEC61784-2/CPF14)定义了三个应用技术行规，即EPA-RT、EPA-FRT和EPA-nonRT。其中EPA-RT用于过程自动化，EPA-FRT用于工厂自动化，EPA-nonRT用于普通工业场合。 · EPA线缆与安装原则(IEC61784-5-14)定义了基于EPA工业控制系统在设计、安装和工程施工中规定。从安装筹划，网络规模设计，线缆和连接器选取、存储、运送、保护、路由以及详细安装实行等各个方面提出了明确规定和指引。 3.EPA国标体系族 · 工业控制网络安全风险评估规范（GB/T 1.1-）(待出版) · 用于工业测量与控制系统EPA合同一致性测试规范（GB/T 1.2）（待出版） · 用于工业测量与控制系统EPA互可操作测试规范（GB/T 1.3）（待出版） · 用于工业测量与控制系统EPA功能块技术规范（GB/T 1.4）（待出版） · 用于工业测量与控制系统EPA规范第5某些：网络安全规范（GB/T 1.5）（待出版） · EPA实时性测试规范（GB/T 1.6）（待出版） EPA-RT技术简介 1 商业以太网应用于工业通信存在重要问题以太网是指遵循IEEE802.3原则，可以在光缆和双绞线上传播网络。当前以太网采用星型和总线型构造，传播速率为10Mb/s，100Mb/s，1000Mb/s或更高。以太网产生延迟重要因素是冲突，其根源在于它所采用CSMA/CD技术。在老式共享网络中，由于以太网中所有设备，采用相似物理介质相连，这就意味着2台或以上设备同步发出信号时，就会浮现信号间互相冲突。为理解决这个问题，以太网规定，在一种站点访问介质前，必要先监听网络上有无其她站点在同步使用该介质，如果有则必要等待。由于网络中存在信号传播延时，因而当2台设备同步或相隔很短时间内同步发送报文，就会浮现同步访问介质状况，此时就发生了冲突。为了减少冲突发生几率，以太网常采用1-持续CSMA，非持续CSMA，P-持续CSMA算法。图 1信道运用率S与信道负载量G关系图由Error! Reference source not found.可知当网络负荷较低时（G取值在1附近）信道运用率S较高。当网络负荷较高时（G≥4），有两种状况浮现：（1）P取值较大时（例如1和0.5），信道上会产生大量数据包冲突，许多数据包必要延时重发，从而导致信道运用率急剧减少，信道通信能力也会大大减少；（2）P取值较低时或为0时，表面上信道运用率S不会急剧下降，事实上咱们由P取值很小可知，数据包及时发出概率非常小（例如P=0.01），数据包很大也许会延时重发。综合上述两种状况可知，采用普通P—persistent CSMA算法，不论P取值大小或为0，当网络负荷较重时，都会导致大量数据包延时重发，这对实时性规定高网络特别是工业控制网是不能忍受。以太网成本比工业网络低，技术透明度高，特别是它遵循IEEE802.3合同为各现场总线厂商大开了以便之门。但是，由于以太网是以办公自动化为目的设计，并不完全符合工业环境和原则规定，将老式以太网用于工业领域还存在着明显缺陷。要使以太网符合工艺上规定，还必要克服如下缺陷。 1.1 拟定性问题由于以太网MAC层合同是CSMA/CD，该合同使得在网络上存在冲突，特别是在网络负荷过大时，更加明显。对于一种工业网络，如果存在着大量冲突，就必要得多次重发数据，使得网间通信不拟定性大大增长。而对于日后发展基于互换机全双工以太网来说，虽然可以丢弃CSMA/CD机制而不产生报文冲突，但是仍旧存在不拟定问题。考虑如下状况，当一种网段中有诸多设备（例如5000个）正好在同一时刻都发出了报文，并且目地址是同一种，那么对于与之相连互换机来说，只能是将这些报文缓存成队列，然后一种一种将其转发出去，那么排在队列头和尾报文达届时间就至少相差5000个报文发送时间，这对于工业控制网络来说是一种非常大不拟定性。在工业控制网络中这种从一处到另一处不拟定性，必然会带来系统控制性能减少。要想将以太网真正应用到工业控制领域，报文传播不拟定性必要得到解决。因而，急需找到一种保证报文传播畅通、拟定有效办法。 1.2 实时性问题在工业控制系统中，实时可定义为系统对某事件反映时间可测性。也就是说，在一种事件发生后，系统必要在一种可以精确预见时间范畴内做出反映。同步，工业上对数据传递实时性规定十分严格，数据更新普通规定在数十毫秒甚至数百微秒内完毕。由于以太网存在CSMA/CD机制，它基本工作原理是：某节点要发送报文时，一方面监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将及时发送；如果两个或更多节点监听到网络空闲并同步发送报文时，它们发送报文将发生冲突，因而每个节点在发送时，还必要继续监听网络。当检测到两个或更各种报文之间浮现碰撞时，节点及时停止发送，并等待一段随机长度时间后重新发送。该随机时间将由原则二进制指数补偿算法拟定。重发前时间在0~（2i-1）之间时间片中随机选取（此处i代表被节点检测到第i次碰撞事件），一种时间片为重发循环所需最小时间。但是，在10次碰撞发生后，该间距将被冻结在最大时间片（即1023）上，16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微解决器回报失败信息。以太网上存在冲突问题，影响了以太网数据吞吐量和传播延时，并导致以太网实际性能下降。在一系列冲突后，报文也许会丢失，因而节点与节点之间通信将无法得到保障。这种影响对有实时规定控制系统尤为严重。很明显以太网解决冲突机制是以付出时间为代价。并且一但浮现数据延时，那怕是仅仅几秒种时间，就有也许导致整个生产停止甚至是设备，人身安全事故。特别，在强实时控制系统中（如中、高品位数控系统、机器人等），数据交互周期短、速度快、网络负荷高、同步精度规定高，在这样环境下CSMA/CD机制会导致网络通信持续冲突，实时数据难以发送成功。正是由于上述因素，以太网此前没有可以在实时性规定较高现场设备通信领域得到应用。 2 工业以太网在解决通信不拟定性方面存在问题通信不拟定性是以太网进入工业控制领域最大障碍。控制网络最大特点在于控制系统对其实时性规定。实时控制往往规定对某些变量实时互锁，对测量控制数据正拟定期刷新。当前工业以太网技术对此采用如下办法： (1) 提高通信速率； (2) 减小系统规模，控制网络负荷； (3) 采用以太网全双工互换技术； (4) 采用基于IEEE 802.3p优先级技术； (5) 采用基于IEEE 803.3qVLAN技术。采用上述办法可以使其不拟定性问题得到相称限度缓和，但不能从主线上解决以太网通信不拟定性问题。对于第（1）和第（2）种办法，无论是提高以太网通信速率，还是减小系统规模，减少网络负荷，都是减小以太网报文碰撞机率。也就是说，控制系统中，任何一种设备发送数据时，依然有也许发生报文碰撞，并导致实时测量、控制数据不能及时发送出去。而采用第（3）种办法时，只是在以太网节点和与其相连接互换机端口之间，发送和接受数据采用了不同通信通道，避免了碰撞。但不能避免各种设备同步向某一设备发送数据时报文阻塞问题。对于第（4）种办法，采用基于IEEE 802.3p优先级技术可在一定限度上解决了不同优先级报文之间传送时序问题。但由于IEEE 802.3p只规定了7个优先级水平，对于规模较大系统来说，现场测量、控制数据传送是遵循“最新即最佳”（Latest is best）原则，现场合有测量、控制数据发送优先级都相似，依然会浮现报文碰撞和阻塞问题。为此，某些实时以太网系统采用主/从式轮询通信机制来解决以太网通信不拟定性问题。即一种系统中有一种设备充当主机，其她设备充当从机。主机可以在任何时候发送数据祈求命令，并接受响应。而从机即不能积极发送数据，只能接受主机发出祈求。一旦接受到主机祈求，即将本地要发送数据作为响应，发送到主机。在这种主从式通信方式中，虽然每个设备依然采用CSMA/CD媒体访问控制机制，但由于在任一时刻，只有一种设备（无论是主机或从机）向网络上发送数据，因而从主线上避免了以太网报文冲突，使以太网通信变得“拟定”。在这种主从式轮询通信机制中，都是由主机通过轮询扫描方式，从现场设备中采集数据，并将控制信息发送出去。当系统规模较大时，系统轮询周期就会很长，而不能适应系统控制性能规定。另一方面，在这种主从式轮询通信机制中，一旦主机发生故障，将导致整个系统瘫痪。对于第（5）种办法，VLAN是一种将局域网（LAN）设备从逻辑上划分（注意，不是从物理上划分）成各种网段（或者说是更小局域网LAN），从而实现虚拟工作组（单元）数据互换技术。这一技术重要应用于互换机和路由器中，当前主流应用还是在互换机之中，但并不是所有互换机都具备此功能。 VLAN好处重要有三个： (1) 端口分隔。即便在同一种互换机上，处在不同VLAN端口也是不能通信。这样一种物理互换机可以当作各种逻辑互换机使用。 (2) 网络安全。不同VLAN不能直接通信，杜绝了广播信息不安全性。 (3) 灵活管理。更改顾客所属网络不必换端口和连线，只更改软件配备就可以了。但是，由于VLAN技术重要基于互换机技术实现，与第（3）中办法存在同样问题，即不能避免各种设备同步向某一设备发送数据时报文阻塞问题。 3 EPA-RT技术简介基本 3.1 工业网络通信特点工业控制网络是一种典型实时应用系统，其中任务（如功能块执行）普通按照一定期间间隔触发，并且对任务执行时间具备截止期规定，这种任务称为周期性任务。实时应用系统中尚有一种任务，这种任务只有在特定事件触发下才浮现，例如设备配备、故障诊断、程序上载/下载、运营记录、报警解决等，此类任务称为非周期性任务，非周期性任务是随机触发。这两种任务反映在工业控制网络通信上，就是两类通信信息：周期性通信信息和非周期性通信信息。周期性信息是实时信息，非周期信息是非实时信息，周期性通信信息和非周期性通信信息具备不同步间特性。并且，周期信息普通具备较高优先级。一旦系统组态完毕，周期性通信信息发送就具备时间拟定性。而非周期性通信信息往往是突发信息，在时间上是不拟定。 3.2 基于角色平等拟定性通信调度模型针对工业控制这种数据传播类型特点，本研究中，将通信周期分为周期数据发送和非周期数据发送两个阶段；对周期性通信信息数据设计了分时调度办法，各设备基于IEEE 1588实现精准时间同步，在周期数据发送阶段，依照组态配备自动计算，只有在其发送数据起始时间届时候，才发送周期数据，使其满足对时间有严格规定控制数据传播需要；对非周期通信信息数据设计了基于优先级调度办法，设备自动计算本设备非周期数据在本网段内优先级，依优先级大小发送非周期数据，避免了以太网通信报文碰撞，保证优先级高报文，例如报警信息得到优先发送，而又不至于影响有严格时间规定周期数据通信。实现分时调度前提是网络上每台设备时间一致性。一方面在组态软件依照各个设备设备描述文献和系统控制构架下，对每个网路设备分派一定网络时间。然后将组态信息下载到网络设备。图 2拟定性通信调度示意图在一种现场微网段内，所有EPA设备通信均按周期进行，完毕一种通信周期所需时间T称为一种通信宏周期（Communication Macro Cycle）。一种通信宏周期T分为两个阶段，其中第一种阶段为周期报文传播阶段Tp，第二个阶段为非周期报文传播阶段Tn（如Error! Reference source not found.所示）。在周期报文传播阶段Tp，每个EPA设备向网络上发送报文是包括周期数据报文。周期数据是指与过程关于数据，如需要按控制回路控制周期传播测量值、控制值，或功能块输入、输出之间需要按周期更新数据。周期报文发送优先级应为最高。在非周期报文传播阶段Tn，每个设备向网络上发送报文是包括非周期数据报文。非周期数据是指用于以非周期方式在两个通信伙伴间传播数据，如程序上下载数据、变量读写数据、事件告知、趋势报告等数据，以及诸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICMP、IGMP等应用数据。非周期报文按其优先级高低、IP地址大小及时间有效方式发送。所有EPA微网段内网络设备先进行时间同步，在时间同步基本上依照时间组态信息进行分时网络通信调度。 3.3 EPA通信模型技术特点为了实现拟定性通信，在每个设备通信栈软件数据链路层之上，增长基于角色平等分时调度控制办法。将通信周期分为周期数据发送和非周期数据发送两个阶段。各设备基于IEEE 1588实现精准时间同步，在周期数据发送阶段，依照组态配备自动计算，只有在其发送数据起始时间届时候，才发送周期数据；在非周期数据发送阶段，自动计算本设备非周期数据在本网段内优先级与IP地址，依优先级和IP地址大小发送非周期数据，避免了以太网通信报文碰撞。本办法特点是，各设备通信角色地位平等，无主从之分，任何一种设备故障不会引起整个系统中其她设备通信，避免了主从式、令牌式通信控制方式中由于主站或令牌主站故障引起整个系统通信故障。本办法另一种重要特点是，合用于线性构造、共享式集线器连接和互换式集线器（互换机）连接以太网。分布式高可用网络技术——DRP 1. 引言近年来，工业以太网在工业通信中应用日益广泛。工业以太网成功应用一种重要因素是其原则化限度高，不同设备供应商产品可以以便实现互操作。依照ARC征询集团在发布数据显示：涉及以太网互换机、媒体转换器、服务器在内以太网基本设施将在将来几年内保持高速增长。顾客在应用以太网便宜、以便、集成度高优势同步，对以太网提出了新规定。50％顾客但愿工业以太网可用性达到99.99％。假设故障恢复时间为100分钟，那么容许故障概率为每发生一次故障，此时系统可用性达到99.9%。本文从分析工业以太网也许浮现各种故障和工业应用提出高可用性规定入手，重点简介既有IEC高可用性工业以太网国际原则IEC62439中包括工业以太网高可用性技术和办法，合同。 2. 工业应用高可用性需求相对于普通以太网可用性规定，应用于工厂自动化和精密运动控制驱动器间通信工业以太网需要满足最苛刻性能规定。由于高精度加工生产需要测量和控制装置安全可靠，工业以太网网络规定具备最严格可用性规定。一种工业现场可以接受自动化系统只在很短时间失效称为一种故障宽限期。为了保证工业现场持续运营，工业以太网故障恢复时间要不大于故障宽限期。Error! Reference source not found.为国际电工委员会IEC定义典型应用宽限期时间。表 Error! Bookmark not defined.不同应用宽限时间[1] 应用典型宽限时间公司资源管理系统 20秒离散控制，自动化管理系统 2秒持续控制，电力系统自动化 200毫秒运动控制，核心同步自动化设备 20毫秒 3. 故障类型依照不用工业应用提出高可用性规定，一方面从工业以太网中也许浮现故障入手。工业以太网中浮现故障，有三分之一与IT信息领域浮现故障相类似。依照ISO/OSI七层模型逐个进行分析，物理层故障重要体现为通信线缆故障或者设备网络接口故障，此类故障重要通过上层合同实现故障检测，并进行故障恢复。数据链路层故障重要因素是管理型互换设备误组态，导致设备转刊登（FDB）故障。此外，还也许浮现互换设备中管理单元故障，其也许因素是管理单元设计存在不可避免漏洞。此外，尚有一种不可避免故障时由于现场雷击等恶劣环境导致数据帧在传播过程中损坏，当损坏数据包在到达接受端时，接受纠错校验将发现这种数据帧错误并丢弃该数据帧。各类故障概率如表 2所示。表 2 不同层次故障概率Error! Reference source not found. ISO/OSI层次故障概率物理层 20% 数据链路层 10% 网络层 25% 传播层 15% 会话层 5% 表达层 5% 应用层 20% 针对既有EPA、ProfiNET、FF HSE等工业以太网中网络层、传播层、会话层、表达层都被简化特点，IEC62439定义将工业以太网高可用性实现重点放在物理层和数据链路层故障探测和恢复上。IEC62439-6为国内自主制定分布式高可用性网络合同DRP。DRP通过度布式故障探测，实现工业以太网高可用性。 4. DRP合同原理 4.1. 基于DRP环形网络系统构造如Error! Reference source not found.所示，基于DRP环形网络系统中，所有互换设备首尾相连，构成一种环形构造，工业控制系统中终端设备接入到环上某一任意互换设备，通过该环网实现数据交互。图 2基于DRP环形网络控制系统构造在环形网络中，环形网络系统中普遍采用禁用备用途径方式，从而避免了由于数据在环网内无休止回环，形成广播风暴Error! Reference source not found.。Error! Reference source not found.中互换设备1与互换设备8之间，在物理上存在通路，但是，该物理通路不进行数据传播，在逻辑上形成断路。因而，该环形拓扑在逻辑上退化为线性构造，有效避免了广播风暴产生。正是由于该逻辑上断路存在，Error! Reference source not found.中终端设备1发送数据帧需要依次通过互换设备1、2、3、4、5、6、7、8中顺时针方向中继后，才干被终端设备3接受，而终端设备3数据帧依次通过互换设备8、7、6、5、4逆时针方向中继后，传播到终端设备2。在互换设备或者互换设备间物理连接浮现故障状况下，DRP合同实现迅速故障探测和恢复，通过将原先系统中逻辑上断路恢复为通路，保证环网上所有设备间数据通信。如Error! Reference source not found.所示，在系统中互换设备5和6之间物理连接浮现故障状况下，DRP合同实现迅速故障探测，并将互换设备1和8之间逻辑断路恢复为通路，实现故障恢复，保证此时环网系统中所有节点间正常通信。图 2故障恢复后环形网络控制系统构造 Error! Reference source not found.中故障恢复后，终端设备1、3之间数据通信转而通过互换设备1、8逆时针方向中继，而终端设备3、2之间数据传播，通过数据链路是互换设备8、1、2、3、4顺时针方向。 4.2. DRP故障探测和恢复机理 4.2.1. 定义对互换设备接入到环形网络中端口进行如下定义: 通信链路故障：构成环形网络互换设备间物理链路或者互换设备中互换芯片故障，导致网络数据无法正常传播。互换设备管理模块故障：构成环形网络互换设备中管理模块故障，导致互换设备管理功能无法正常实现。阻塞状态：处在阻塞状态端口仅仅转发DRP合同定义帧，其她所有数据帧均被丢弃。如Error! Reference source not found.中互换设备1B端口所示。转发状态：处在转发状态端口，所有数据帧均被转发，如Error! Reference source not found.中互换设备2中F端口所示。备用链路：阻塞状态端口所连接物理链路，称为备用链路。如Error! Reference source not found.中互换设备1和8之间链路为备用链路。工作链路：链路两端互换设备端口均处在转发状态，称该链路为工作链路。如Error! Reference source not found.中互换设备1和8之间链路以外所有链路均为工作链路。冗余切换：在发生故障状况下，备用链路转变为工作链路，保证环形网络系统中所有设备在故障状况下正常通信，该数据传播链路切换过程成为冗余切换。 4.2.2. 故障探测及恢复办法在DRP环形网络中，通信时间被提成各种Macrocycles，标记为TMacrocycle。构成环形网络所有互换机分别维护一种本地时间，并依照IEEE1588合同将本地时间同步到整个环形网络中唯一主设备，实现全网络时钟统一Error! Reference source not found.，结合组态信息，实现全网络Marcocycle统一。在此基本上，为了实现迅速故障探测和恢复，DRP采用积极链路探测技术，分别针对互换设备管理模块故障和通信链路故障进行探测，并依照故障探测成果实现迅速故障切换。运用以太网全双工数据传播特点，在一种Macrocycle内，构成环形网络每个互换设备节点在每个Marcocycle起始时间，发送LinkCheck帧，进行一次故障探测，依照检查成果，故障恢复，如Error! Reference source not found.所示。图 3 DRP故障探测和恢复机理 4.2.2.1. 互换设备管理模块故障 DRP互换设备积极探测环形网络中互换设备管理没夸故障，在每个Marcocycle起始时间，网络中所有DRP互换设备通过其两个环路端口，同步向与之相邻左右两个互换设备积极地发送LinkCheck探测帧，如Error! Reference source not found.所示，互换设备4发生管理模块故障。该帧中包括设备健康状况、端口健康状况、链路健康状况等信息。设备在发送给帧同步，等待接受来自相邻设备LinkCheck探测帧。互换设备在固定期间内收到分别来自两个邻居互换机“互换设备间链路健康状况”探测帧。故障互换设备相邻两个互换设备提取接受到对方LinkAlarm报警帧中信息，依照其中报警帧发送方SequenceID大小，决定端口状态。自身设备SequenceID较大设备将与故障互换设备相邻环端口设定为转发状态，环网中恢复只有一种端口为拥塞端口状态，实现故障恢复。图 4互换设备管理模块故障探测恢复 4.2.2.2. 通信链路故障依照IEEE802.3合同规定，在发生链路故障状况下，与故障链路相邻互换设备数据链路层将像上层合同提供报警信息Error! Reference source not found.。如Error! Reference source not found.所示，互换设备4和5，依照该报警信息，判断发生通信链路故障，而进行积极探测技术。在接受到该报警信息后，如Error! Reference source not found.所示，互换设备4和5，直接发送报警帧。报警帧发送后解决流程与互换设备管理模块故障相似。图 5通信链路故障探测恢复 4.2.2.3. 故障设备恢复在故障设备恢复正常后，DRP技术可以自动将该设备重新接入到网络中。由于设备内部已包括网络组态信息，在接入后，该互换设备设备会与网络中时钟主设备进行时钟同步。同步完毕前，它不会向相邻互换设备发送LinkCheck数据帧，因而与其相邻两个互换设备将视其为故障，发送“链路故障报警”数据帧，然后根据相应算法进行动作。该修复后互换设备获得同步后来，将可以正常收发DRP数据帧，根据DRP合同与网络中其他设备进行通信。 4.2.2.4. 新互换设备接入对于新设备接入，由于新设备未进过组态，DRP技术通过自组态方式，实现新设备自动接入。一方面根据1588合同将本地时钟与网络中已经存在主时钟进行同步。在同步完毕后来，网络中当值主设备互换设备将依照分派互换设备序列ID维护网络中设备数量变量，并立即发送“环路变化”数据帧。收到该“环路变化”数据帧后，所有互换设备将把各自设备数量变量设立为与收到数据帧中相似值。新互换设备还将把其本地互换设备序列ID设立为与收到“环路变化”数据帧中相似值。通过这样过程完毕了自组态，此后它便可以正常收发数据帧，与其他设备进行通信。 5. 总结对IEC62439中涉及各项高可用性网络技术进行对比，表 3对不同工业以太网高可用性办法进行了总结。表 Error! Bookmark not defined.不同高可用性办法对比合同故障恢复时间拟定性通信主从/分布式网络拓扑备用链路状态系统规模时钟同步 MRP 200ms-500ms 是主从式环形拥塞 50 是 HIPER-Ring 200ms-300ms 是主从环形、双环拥塞无限制是 PRP 0 是分布式线形、星形、环形并行通信无限制否 DRP <100ms 是分布式环形、双环拥塞无限制是 BRP 5毫秒是主从式双端口接入到星形、线形、环形无 >500 否 CRP 1-2秒是分布式双网形无 2047 否不同高可用性办法分别被不同工业以太网技术所采用。例如，MRP办法由于来自西门子，因而，在ProfiNET系统中较为常用。而CRP在同样与FF HSE均来自现场总线基金会，两者普遍配套使用。DRP在EPA系统中应用较为广泛。并且，DRP在故障恢复时间方面优势明显。

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