在流程工業(yè)中，高可用性（有效性）至關重要，關鍵的應用必須確保安全可靠性，需要通過一種方式來阻止由于硬件損壞或者電纜受損時導致的功能性中斷，這便是通過中央控制單元的冗余來實現(xiàn)，如果IPC當機，第二個單元需要立即通知故障并且接管失效單元的任務，阻止正在操作的任務延遲，另一個要達到高可用性（有效性）的必要條件是線纜及控制故障定位。
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域。公司基于POWERlink研發(fā)了一套冗余系統(tǒng)，具有響應時間短、實時同步性高、高傳輸速率及易于診斷的特點。
挑戰(zhàn)
阿爾斯通之前僅使用”工廠執(zhí)行協(xié)議FIP”，除非有必要使用另一個現(xiàn)場總線解決方案，在我們最新的過程序列中，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)量已經(jīng)超過了FIP的帶寬，項目經(jīng)理 斯戴芬.寶特赫說：“因此我們需要一個能夠處理更加大量的實時數(shù)據(jù)并且適應冗余拓撲的總線備選方案。
系統(tǒng)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的技術性能，也包括系統(tǒng)的標準化，畢竟選擇一個新技術總是帶來很多投資保護的問題。
因此，控制技術需要保持長期的可用及透明度，我們深信Ethernet POWERlink的開放性允許我們開發(fā)適應任何過程的應用。此外，阿爾斯通要求整廠一致的方案。“我們在尋找一個實時且具有確定性的網(wǎng)絡以能夠使得我們的集中過程通過分布的I/O來實現(xiàn)?！盤otier如是說到。阿爾斯通的系統(tǒng)專家們羅列出系統(tǒng)的需求后，復雜的決策過程持續(xù)了幾個月的時間，工程師們采用一個優(yōu)先等級矩陣來對不同的符合條件的總線系統(tǒng)進行優(yōu)點和缺點的比較分析，權衡利弊，阿爾斯通最終選擇了Ethernet POWERlink及ProfiNet-IRT，這兩個總線滿足了所有的需求及所期望的高速率，由于ProfiNet IRT那時候尚未正式在市場發(fā)布，真正的選擇就很清楚了。
POWERlink歷史
POWERlink是由一家奧地利控制技術制造商—貝加萊（B&R）在2001年開發(fā)的。貝加萊的目標是通過在IEEE802.3標準以太網(wǎng)協(xié)議的擴展在微秒級上實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸。
POWERlink對于其它的開發(fā)者而言是開放的，在2002年，它由一個民主開放的EPSG組織領導，2003年，EPSG表決通過POWERlink V2技術規(guī)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的關鍵特性在于對網(wǎng)絡上設備的時鐘管理，不像標準以太網(wǎng)系統(tǒng)，在那里，傳輸速度依賴于數(shù)據(jù)量，POWERlink擴展性采用了時間槽的方法，這能夠確保數(shù)據(jù)交換的同步性，為了使得數(shù)據(jù)傳輸同步，應用了整個帶寬并且阻止了數(shù)據(jù)沖突，在一個POWERlink總線內(nèi)的設備被指派了管理節(jié)點（MN）功能，而同時所有其它設備則扮演一個受控節(jié)點（CN），MN通過在一個時鐘循環(huán)內(nèi)發(fā)送請求（Poll 請求幀，PR eq）,包括一個響應幀（PR es）給所有的受控節(jié)點，來定義所有設備同步的時鐘脈沖并控制數(shù)據(jù)通信。由于以太網(wǎng)是一個廣播系統(tǒng)，所有的網(wǎng)絡節(jié)點能夠接收數(shù)據(jù)，一個POWERlink循環(huán)由四個周期構成，在“啟動”周期，MN發(fā)送循環(huán)幀啟動（SoC）給所有CN使得設備同步。
循環(huán)的同步數(shù)據(jù)交換在第二個周期（循環(huán)周期）內(nèi)發(fā)生，下面的”非同步周期”使得非實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)。一個”空閑”周期完成了整個循環(huán)，由于時間槽方法阻止了不同設備同時發(fā)送數(shù)據(jù)，在網(wǎng)段內(nèi)HUB的數(shù)量不受限制，這允許用戶實現(xiàn)任意拓撲結構，在任意一個網(wǎng)段，各自的MN可以被指派多達240個受控節(jié)點，更多的POWERlink優(yōu)勢在于這個基于軟件實現(xiàn)方式及已存的標準化，一個循環(huán)由實時Poll請求和Poll響應的實時脈沖及用于傳輸非實時數(shù)據(jù)的非實時脈沖構成。
通過其它組織的工作，在這個領域提供了許多優(yōu)勢，我們已經(jīng)在冗余技術方面積累了豐富的經(jīng)驗，我們能夠定位我們公司的開發(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：兩個或更多的冗余管理節(jié)點（RMN）在網(wǎng)絡層次的頂端，只有一個作為主動管理節(jié)點AMN，其它保持Stand-by（SMN）狀態(tài)并扮演一個受控節(jié)點。SMN和CN的唯一不同在于SMN持續(xù)的監(jiān)控所有網(wǎng)絡及CN功能，在緊急情況下，這能使得SMN具有AMB功能作為網(wǎng)絡內(nèi)的一個RMN，每個RMN必須能夠配置所有網(wǎng)絡設備，其它RMN也不例外。這個冗余模式允許一個大范圍的拓撲方式。RMN可以通過HUB訪問一個簡單的網(wǎng)絡層，一個可行的設計是將RMN和CN放在一個環(huán)形內(nèi)，封閉了網(wǎng)絡結構內(nèi)，第三個對阿爾斯通有利的方面包括冗余數(shù)據(jù)線，能夠保護總線不僅在MN失效，而且在總線電纜失效和故障的情況下運行。
網(wǎng)絡管理狀態(tài)
阿爾斯通的開發(fā)者們必須進行很多針對網(wǎng)絡狀態(tài)的改變，以能夠使得系統(tǒng)集成多個冗余管理站，由于POWERlink最初只允許對一個MN進行操作，網(wǎng)絡管理站NMT是一個基于CAN Open的監(jiān)測及控制服務。每個網(wǎng)絡設備有一個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，不允許設備啟動并且激活網(wǎng)絡，在預操作階段，設備對網(wǎng)絡參數(shù)進行同步，但是還不能開始傳輸數(shù)據(jù)，可操作表示單元完全可操作的，停止意味著設備從網(wǎng)絡斷開，只接受一個NMT指令，為了冗余操作，MN可以在任何時候承擔控制功能，編程者增加一個第五狀態(tài)（Stand By）給NMT狀態(tài)機器，在預操作階段，RMN檢查總線狀態(tài)，如果沒有相關的信號被偵測到，它就切換到激活模式，并且扮演一個AMN功能，如果RMN檢測到網(wǎng)絡活動，它就會在操作模式切換到等待模式，但是將會以一個標準CN進入系統(tǒng)。
連接選擇器
除了堆棧更換，阿爾斯通的專家們開發(fā)了連接選擇器，這個創(chuàng)新使得網(wǎng)絡能夠?qū)θ哂鄶?shù)據(jù)線進行操作。與HUB相似，它連接了數(shù)據(jù)行輸入和受控節(jié)點，扮演了一個關聯(lián)操作者的角色，并且將信號輸送線與CN相連，如果一個線路中斷，開關切換到另一個。電纜斷掉也能通過連接選擇器發(fā)送信息來定位。
應用
在完成所有模式及技術開發(fā)后，阿爾斯通進入一個仿真階段，在阿爾斯通的工業(yè)化安裝中，系統(tǒng)是否能夠適應特殊過程必須通過基于計算機模式進行驗證。重中之重，仿真確定我們的初步估計，這展現(xiàn)了100Mbps以太網(wǎng)足以滿足數(shù)據(jù)負載的要求。結果是，我們創(chuàng)造了豐富的特殊過程，并測試了在這些情況下的系統(tǒng)功能，Potier描述了這個漫長的仿真階段，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(xiàn)在有了一個現(xiàn)場網(wǎng)絡可以滿足我們所有的要求，系統(tǒng)有一個非常清晰的層次，其它優(yōu)點在于它支持熱插拔，對于連接附加設備到系統(tǒng)里無需任何配置方面的努力，此外，我們可以輕松的集成網(wǎng)絡配置到工程設計的工具中去，由于POWERlink是一個基于CAN Open的網(wǎng)絡，但是最重要的事情在于這個系統(tǒng)屬于我們，我們知道開發(fā)的過程，有所有可以進入的資源在需要時進行更深入的開發(fā)，新的功能將被在EPSG標準并且是開放給任何人的。
