軌道交通冗余工業以太網設計分析

■ 卓越信通電子北京有限公司技術部

1 地鐵冗余工業網絡發展概況

工業以太網由于具有與商用以太網截然不同的實時性和安全性方面的特質，在軌道交通領域得到越來越廣泛的應用。其中冗余和自愈是網絡體系架構的一個重要特點，它是在自動化對系統的可靠安全性、實時穩定要求背景下誕生的。實時性和安全性方面的要求已經把工業環形網絡的拓撲結構應用到軌道交通多個系統傳輸網絡平臺，在ISCS、BAS、PSCADA、AFC、PIS等多個系統中被大量應用。北京機場線BAS系統的冗余工業網絡設計見圖1。

工業以太網已經成為關聯多個應用系統的主流設計網絡系統。解析這一拓撲結構的前因后果，能一分為二地了解這一技術的先進性和瑕疵，更好地提高城市軌道交通各個系統網絡平臺設計的安全性和可靠性。

2 地鐵工業以太網冗余設計分析

地鐵工業以太網的冗余設計主要包含網絡設備的冗余設計和網絡拓撲結構冗余設計。

2.1 地鐵工業以太網拓撲結構分析

計算機網絡的拓撲結構是引用拓撲學中研究與大小、形狀無關的點、線關系的方法。把網絡中的計算機和通信設備抽象為一個點，把傳輸介質抽象為一條線，由點和線組成的幾何圖形就是計算機網絡的拓撲結構。網絡的拓撲結構是實現各種網絡協議的基礎，它對網絡的性能、系統的可靠性與通信費用都有重大影響。

地鐵工業以太網的拓撲結構源于一般商業以太網的應用，基本可以分成總線型、星型、環型及樹型等幾種形式。

大多數工業現場的用戶都比較熟悉總線型連接，即多個工作站共享一個通用連接，如EIA-485或控制器局域網（CAN）。但是，總線拓撲結構在工業以太網中已不再存在。盡管10BASE2 和10BASE5 確實是總線型基于同軸線纜的以太網網絡，但由于它們局限于10 Mb/s的半雙工工作狀態，以及不被包含在新興商業樓宇的布線標準TIA/EIA-568-A中，其用途在逐漸減少。

圖1 北京機場線BAS系統的冗余工業網絡設計

基于以上原因，目前工業以太網的布線多使用星型、樹型或環型的拓撲結構。如果不考慮無線網絡系統，目前城市軌道交通工業以太網的拓撲結構主要還是星型和環型。基于安全可靠方面的考慮，冗余雙星型和冗余雙環型是主流網絡拓撲，而環型似乎更受到城市軌道交通應用的青睞。

2.2 地鐵工業以太網拓撲冗余

通常構建冗余網絡的方式主要有兩種：一種是繼承了傳統以太網的冗余自愈方式，如STP、RSTP，TRUNKING等技術；另一種是專門針對工業自動化實時可靠性，并從傳統以太網變異出的工業網絡設備生產廠家的私有環路冗余協議。

2.2.1 STP及RSTP

STP（Spanning Tree Protocol）作為一個鏈路層協議（IEEE 802.1D）存在，提供路徑冗余和阻止網絡循環發生，強令備用數據路徑為阻塞（blocked）狀態。如果一條路徑有故障，該拓撲結構能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構。網絡中斷恢復時間為30～60 s。RSTP（快速生成樹算法，IEEE 802.1w）作為STP的升級，將網絡中斷恢復時間縮短到1～2 s。STP網絡結構靈活，但存在恢復速度慢的缺點，在很多工業環境中并不適用。

2.2.2 Trunking技術

這種方式是將不同交換機的多個端口設置為Trunking主干端口，并建立連接（見圖2）。這樣在交換機之間可以形成一個高速的骨干鏈接，不但成倍地提高了骨干鏈接的網絡帶寬，增強了網絡吞吐量，而且還提供了冗余功能。當網絡中的骨干鏈接產生斷線等問題，網絡中的數據會通過剩下的鏈接進行傳遞，保證網絡通信正常。Trunking主干網絡可以采用總線型和星型網絡結構，理論通信距離可以無限延長。由于Trunking技術采用了硬件偵測及數據平衡的方法，所以使網絡中斷恢復時間達到了新的高度，一般恢復時間可以達到10 ms以下。

但實際應用中，鏈路A和鏈路B幾乎都在各自同一個管道內，鏈路A、鏈路B內的鏈路即使是雙冗余，管道一旦遭到破壞，則鏈路與備份鏈路均被損壞，達不到保護作用。交換機2和交換機3不能連通，否則即形成閉環，如果不打開STP會產生廣播風暴導致運行癱瘓，打開STP就如上所述，又滿足不了工業環境的實時性的要求。因此，Trunking技術由于并不是為工業網絡環境研發的，這種技術在工業環境下實際意義不大，是一種“假冗余”技術 。正是由于傳統以太網本身提供的冗余自愈技術不能滿足工業環境需求，才自然迫使工業以太網產生變異進化出了自身的冗余自愈技術。

2.2.3 私有環路冗余協議

在STP之后，為了能滿足工業控制網絡實時性強的特點，開始采用環路連接網絡的方式實現冗余快速恢復。采用這種技術可以使網絡在中斷后300 ms之內自行恢復。可以通過交換機的出錯繼電連接、狀態顯示燈和SNMP設置等方法來提醒出現斷網現象。這些都可以幫助診斷環網什么地方出現斷開。但不同的工業以太網廠家研發了不同且不兼容的環路冗余協議。

環路冗余大體可以采用3種方法。

（1）單機單環冗余（見圖3）。采用單機單環冗余的北京地鐵亦莊線門禁系統由中央級門禁系統和車站級門禁系統構成。中央級門禁系統主要完成對控制中心（OCC）大樓各層辦公室門、通道門和全線各車站的屏蔽門、辦公管理用房及設備房門等的開閉控制管理，進行安全防護。中央級門禁系統由2臺冗余服務器、1臺操作工作站及打印機等設備組成。車站級門禁系統由車站級分管理中心、工業冗余環網交換機、門禁控制器等設備組成。車站A端、B端設置的門禁控制器之間通過工業級交換機構成光纖單環以太網，構成車站ACS現場級環網，環網技術的應用有效地避免了單點故障對網絡的影響。

圖2 Trunking技術在車載PIS系統中應用

（2）雙機單環冗余（見圖1）。采用雙機單環冗余的地鐵典型車站BAS系統，主要對暖通空調系統設備、給排水系統設備、電梯系統設備、低壓配電與動力照明系統設備等車站機電設備進行全面、有效地自動化監控及管理，進行程序自動、實時、定時、現場就地監視設備運行狀態，控制開啟和關停，檢測環境參數，調控環境舒適度及節能管理。此方式充分利用了工業以太網設備的高可靠性和冗余性，工作站、服務器、PLC等現場設備均實現雙節點接入，避免單點故障對網絡產生影響，為系統穩定可靠運行打下堅實的基礎。

（3）雙機雙環冗余（見圖4）。采用雙機雙環冗余的主要優勢在于可以通過雙通道連接，避免單個線纜出錯或單個設備出錯帶來的問題。

3 軌道交通環形拓撲工業以太網的瑕疵

3.1 工業以太網中環形拓撲的瑕疵

以太環網并不意味著完全的冗余，它只是拓撲結構中的一種。目前工業以太網的布線系統實際處于布線的初級階段。應用于工業領域的布線系統及設備還大量采用“纜+頭”連接模式，因此存在連接故障。同時，工業控制設備及工業以太網設備本身也會存在故障問題，因此工業網絡會有很多故障點。環型拓撲提供了某種程度的冗余，但還有很多單一故障點讓一個或多個器件不能通信。實際往往有幾個小型交換機通過單線連接交換機的幾個端口，此種入網設備形成了一個標準樹形拓撲。如果交換機與設備間的線纜發生故障，設備通信就因一個點的錯誤而中斷。如果一個交換機中斷了其上所有設備的連接，這個交換機也就失效了。這在過程控制中是不可接受的。

圖3 單機單環冗余

圖4 雙機雙環冗余

環型拓撲設計雖然做到了骨干網物理層的冗余、自愈、交換機網絡層冗余，但往往由于城市軌道交通各子系統最終前端設備不支持冗余設計，大多數設備甚至沒有預留冗余接口，從而導致整個子系統的冗余自愈設計“虎頭蛇尾”，達沒有真正達到冗余自愈的設計要求。

3.2 解決瑕疵的辦法

3.2.1 關鍵鏈路冗余保護器

針對地鐵控制前端設備沒有預留冗余接口的情況，研發“關鍵鏈路冗余自愈保護器”（見圖5）。該設備實際上是這些設備外延的冗余自愈保護模塊，其功能是將原控制設備上網絡接口由一變成二，從而可接入主輔兩個網絡系統，達到冗余保護的目的。

3.2.2 關鍵鏈路冗余保護器

網絡冗余器可用于連接服務器、路由器等需要網絡安全保護的以太網設備。它具有3個RJ45接口，分別是輸入端口（Protected）、主輸出端口（Primary）、備份輸出端口（Backup）。網絡冗余器在正常情況下“Protected”端口與“Primary”端口連接，通過“Primary”端口進行以太網的通信；當“Primary”端口通信線路出現故障時，這時不需要路由器或服務器向網絡冗余器發送數據通信錯誤的命令，冗余器將自動切換到“Backup”端口，“Protected”端口與“Backup”端口連接，通過“Backup”端口進行以太網通信。當“Primary”端口通信線路故障消除后，冗余器將自動切換到“Primary”端口進行以太網通信（見圖6）。

3.2.3 設備端口、關鍵鏈路、網絡全部冗余的方案

圖5 關鍵鏈路冗余保護器

圖6 關鍵鏈路冗余保護器原理

圖7 實行設備、網絡、端口全部冗余的網絡拓撲結構

設備端口、關鍵鏈路、網絡全部冗余的網絡拓撲結構見圖7。A類PLC設備配置為單網卡，B類PLC設備配置為雙網卡。雙網卡的B類PLC設備按照工業冗余方案可以采用2個網卡分別接到2個環網上，從而實現鏈路冗余。單網卡的A類PLC設備通過1臺冗余保護器接到2個環網上。冗余保護器是專門為工業冗余網絡設計的一款工業級以太網產品，它可以比喻為1個岔路口，分出的2條路（主路和輔路）都可以到達目的地。可以根據情況選擇主路和輔路，平常狀況下走主路，但當主路出狀況時改走輔路，從而保證了網絡連通性。

4 結束語

以太網技術由于其開放的特點逐步進入自動化及先進制造領域，而工業以太網技術更是因其獨有的實時性和可靠性大范圍地滲透到城市軌道交通的各個應用系統。冗余自愈性能將是工業以太網這一技術演進的重要方向。目前的工業以太網技術比傳統的民用以太網技術及目前的現場總線技術已有長足的進步，但是要在實時性和冗余自愈做到盡善盡美，還需要進一步研究。