目前，各個行業正在朝著以太網發展。近年來出現了一些技術創新，以增強標準以太網的彈性，并將其用作OT和IT的通用鏈路層。在具有高可用性和嚴格時序要求的關鍵領域，如電氣領域，這些技術創新得到了發展。

01以太網

目前大多數工業網絡都是基于以太網的，自1983年以太網標準化以來，無論是從技術角度還是從應用角度來看，它都在不斷發展中。計算機網絡的最初用途已擴展為工業現場總線(PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、SercosIII等)、航空航天(AFDX)、能源(IEC61850)、汽車(確定性以太網)和運輸。

變電站保護、自動化和控制系統(PACS)等關鍵系統可以從以太網技術中受益，前提是它可以確保在網絡故障的情況下不會丟失幀、有效集成準確的時序同步方案、供應商之間的互操作性以及一些基本的實時操作能力。從這個意義上說，IEC組織開展了一項非常有價值的標準化工作，發布了IEC 62349-3“工業通信網絡——高可用性自動化網絡”，并開發和發布能夠在這些冗余環境中運行的精確時間協議IEEE 1588的特定配置文件。02高可用性以太網

該標準IEC62349-3的第5部分和第4部分分別定義了高可用性無縫冗余(HSR)協議和并行冗余協議(PRP)。兩者都提供零延遲恢復時間和以太網網絡上的無幀丟失。HSR面向以太網環形拓撲，它確保幀傳送時間的已知最壞情況。PRP與兩個獨立的舊式以太網網絡一起工作，它不適合在實時場景中工作。事實上，PRP、HSR和PTP可以結合起來支持時間感知網絡。

03精確時間協議(PTP)

工業控制系統對亞微秒級同步的要求越來越高。作為在行業中引入這種組合方法(可靠以太網與IEEE 1588相結合)的示例，IEC智能電網戰略組建議采用IEEE 1588-2008標準中定義的PTP，用于變電站中的高精度時間同步。PTP直接通過以太網在變電站網絡中分配絕對時間，實現納秒范圍內的同步精度。PTP系統遵循主從層次結構，其中主設備施加時間，從設備在相位和頻率上與其同步。傳播延遲由從站自動補償，為了考慮網絡節點引入的延遲，必須在中間節點中添加透明時鐘(TC)功能。因此，網絡中的所有交換機都應支持TC操作，以糾正被交換的PTP幀，以免失去預期的準確性。典型的PTP網絡由分隔不同時鐘區域的PTP邊界時鐘設備和能夠作為主設備和從設備工作的PTP普通時鐘完成。除了在電力領域的廣泛使用之外，IEEE 1588更常見于其他場景。例如，一些目標應用是用于天然氣和石油的分布式傳感器數據采集、確定性以太網的時間參考、電機驅動器的相位和頻率同步或從航空航天和國防中的DAU進行分布式數據采集。

04HSR/PRP網絡無縫合并解決方案

在實時部分和非實時部分中需要完全冗余路徑的關鍵基礎設施可以從PRP和HSR網絡的結合中受益。PRP由兩個標準以太網組成，支持PRP的設備負責通過兩個LAN網絡發送和接收重復幀。這種方法非常適合重用常規以太網基礎設施，但它缺乏任何機制來確保給定幀的最壞情況下的交付時間。HSR允許計算此參數。因此，它是一種標準化和可互操作的解決方案，適用于面向控制的通信。例如，IEC 61850變電站的典型零延遲恢復時間拓撲基于在站總線部分實施PRP，在過程總線區域實施HSR環。PRP網絡與HSR環的連接必須通過兩個不同的點來完成，避免前面提到的SPOF。IEC62349-3標準定義了進行互連的設備的行為方式。具體來說，當幀通過一個網絡到達另一個網絡時，它們需要支持HSR/PRP模式以正確管理序列號字段。從集成商的角度來看，一種選擇是組合和配置支持PRP-HSR的獨立RedBox設備，支持能夠處理(組合)冗余的IEEE1588配置文件。

使用RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe解決方案合并HSR和PRP網絡

在航空先進制造中心工廠(CFAA)中實施的另一種替代方案是使用插入兩臺工業PC計算機的兩個RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡。這種設置由于這些設備支持的PRP-to-HSR特殊模式，允許將PRP部分與工廠中的HSR互連。對于此設置，HSR環是光纖，而PRP網絡是GbE銅介質。每個PRP分支都連接到以太網輸入，該輸入通常用于連接RedBox操作中的標準LAN。配置只需幾分鐘且只需一次：操作員連接到嵌入在PCIe卡中的Web應用程序并選擇PRP-HSR操作。

RELYUM RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡插入PC服務器

RELYUM嵌入式基于web的配置工具

05結論

本文結合PTP總結了高可用性協議HSR和PRP的概念，并介紹了可無縫集成到任何工業計算機中的虹科即用型PCIe產品。文章提出的方案解決了高可用性以太網網絡集成商的需求：實現PRP和HSR網絡的簡單互連。由于RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe上嵌入了DAN和RedBox的雙重功能，它無需額外的中間RedBox外部設備，并重用現有網關或PC SCADA系統來管理數據包處理。虹科為電網、軌道交通等領域提供關鍵系統中的網絡、同步和網絡安全的創新解決方案。

審核編輯：湯梓紅