CN113162778B - 一种用于高速工业以太网主站冗余的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高速工业以太网主站冗余的方法，包括：当活动主站AMN工作时，冗余主站SMN作为活动主站AMN的从站，并与活动主站AMN进行同步周期通信、监听网络；当活动主站AMN掉线后，按照冗余主站SMN的优先级转变为活动主站AMN并接管网络。本发明是在高速工业以太网标准主站基础上，实现具有冗余功能的主站。冗余结构具有热插拔，支持多个冗余节点，切换速度快，性能稳定的特点。在工业过程控制，运动控制等领域，保证了网络运行的健壮性和稳定性。

Description

一种用于高速工业以太网主站冗余的方法
技术领域
本发明涉及工业通信领域，尤其是高速工业以太网通信领域，是一种高速工业以太网主站冗余的方法。
背景技术
实时通信技术是一项在标准以太网介质上，用于解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的最新技术。随着工业以太网的应用增加，工业以太网被广泛应用在运动控制，机器及设备控制系统中。工业以太网的应用种类繁多，包括任务关键型应用程序，其通常不容忍系统故障而导致服务中断。在这样的应用中，高可靠性是至关重要的，而且，这样的稳定系统对生产的损失会降到最低。多主冗余就可以保证网络系统在故障时，排除故障点，使网络系统继续运行。工业以太网管理节点冗余确保了循环通信周期的连续性，同步性和非常低的抖动。冗余的主站，其切换时间(恢复时间)是在周期时间的范围内。这保证了系统快速恢复正常运行，没有任何停机过程。主站冗余规范是一个附加的以太网通信规范，它与标准以太网设备完全兼容。
发明内容
本发明针对高速工业以太网现有技术上不存在冗余的问题，提出了一种主站冗余的方法。该方法是冗余主站在网络中监听网络，能够在活动主站掉线后，代替原活动主站接管网络。应用程序实现无缝对接，从站容忍丢失一个周期。在一个网络中可以有多个冗余主站。当活动主站正常工作时冗余主站在网络中以从站的形式存在，可以与活动主站进行同步周期通信，监听网络，当活动主站掉线后按照冗余主站的优先级转变为主站并接管网络。冗余主站具有标准主站和标准从站的性能。
本发明采用的技术方案是：一种用于高速工业以太网主站冗余的方法，包括：
当活动主站AMN工作时，冗余主站SMN作为活动主站AMN的从站，并与活动主站AMN进行同步周期通信、监听网络；当活动主站AMN掉线后，按照冗余主站SMN的优先级转变为活动主站AMN并接管网络。
所述方法具体包括：
网络监听：冗余主站SMN超时监听网络上来自当前激活的活动主站AMN发出的SoA指令帧和SoC同步帧；
数据刷新：实时的保存活动主站AMN的控制信息；所述主站MN的控制信息为主站MN的用户定义的过程变量和控制变量；
SMN的优先级：对网络中的多个冗余主站SMN，按照优先级顺序启动。
所述超时监听分为两个阶段：
第一几段：活动主站AMN在初始化配置时，冗余主站SMN监听SoA指令帧，用于判断活动主站AMN是否在配置网络；
第二几段：活动主站AMN在管理网络通信时，冗余主站SMN监听来自网络的SoC同步帧，用于判断活动主站AMN是否工作。
分别添加两个定时器，分别用于SoA指令帧、SoC同步帧的超时监听。
所述第一阶段中，当冗余主站SMN监听到网络上SoA指令帧不存在时，在冗余主站SMN的数据链路层发送一个SoA指令帧超时事件给本地的网络管理状态机NMT，使NMT由从站CN切换到主站MN的模式，激活冗余主站SMN成为活动主站AMN，重新配置整个网络。
所述第二阶段中，如果活动主站AMN管理网络通信时，当冗余主站SMN监听到网络上SoC帧不存在时，在冗余主站SMN的数据链路层发送一个SoC同步帧的可操作超时事件给本地的网络管理状态机NMT，使网络管理状态机NMT由从站CN切换到主站MN的模式，激活冗余主站SMN成为活动主站AMN，直接进入完整的周期通信状态，继续控制整个网络正常运行。
所述实时的保存活动主站AMN的控制信息，包括：
监听活动主站AMN发出的Preq数据请求帧，并用Preq数据请求帧的数据来刷新冗余主站SMN本地的控制信息；
用Preq数据来刷新冗余主站SMN本地的控制信息，是通过主站用户程序定义将控制信息映射进发送的对象字典中去来实现的。
所述按照优先级顺序为通过在对象字典中增加相应的SMN启动参数来实现优先级的设定。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明是在高速工业以太网标准主站基础上，实现具有冗余功能的主站。冗余结构具有热插拔，支持多个冗余节点，切换速度快，性能稳定的特点。在工业过程控制，运动控制等领域，保证了网络运行的健壮性和稳定性。
附图说明
图1主站冗余模块结构图；
图2冗余主站启动过程图示；
图3同步帧同步定时模块功能图示。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明的一种用于高速工业以太网主站冗余的方法：具有高速工业以太网标准主站功能；可以监听工业以太网网络通信信息，接管网络继续运行；支持同活动主站AMN(Active Managing Node)进行同步周期数据通信；支持活动主站与冗余主站进行异步数据通信；支持活动主站对冗余主站进行异步配置；支持多个冗余主站按照优先级启动为活动主站；支持冗余监听主站进行强制切换为活动主站；支持冗余主站热插拔。
1.网络监听：
冗余主站SMN需要超时监听网络上来自当前激活的主站AMN发出的SoA指令帧和SoC同步帧。超时监听可分为两个阶段：一是AMN在初始化网络时，冗余主站SMN只需监听SoA指令帧，以判断有活动的主站AMN在配置网络；二是AMN在管理网络通信时，冗余主站SMN只需监听来自网络的SoC同步帧，以判断有活动的主站AMN存在。
为了实现活动主站RMN的超时监听功能，需要添加两个定时器。一个定时器用于SoA指令帧的超时监听，一个用于SoC同步帧的超时监听。监听SoA指令帧的定时器只在第一阶段，即活动的主站AMN在配置网络时是有效的，在第二阶段该定时器的功能就无效了。监听SoC同步帧的定时器只在第二阶段是有效的。
超时监听的第一阶段：当冗余主站SMN监听到网络上SoA指令帧不存在时，说明当前的AMN已失效，在冗余主站SMN的数据链路层就会发送一个SoA指令帧超时事件给本地的网络管理状态机NMT，使NMT由从站CN切换到主站MN的模式，激活冗余主站SMN成为活动主站AMN，重新配置整个网络。
超时监听的第二阶段：该阶段管理网络通信过程：如果活动主站AMN为管理网络通信时，当冗余主站SMN监听到网络上SoC帧不存在时，在冗余主站SMN的数据链路层就会发送一个SoC同步帧可操作超时事件给本地的网络管理状态机NMT，使NMT由从站CN切换到主站MN的模式，激活冗余主站SMN成为活动主站AMN，直接进入完整的周期通信状态，继续控制整个网络正常运行。
2.数据刷新
主站MN用户程序定义的过程变量和控制变量统称为主站MN的控制信息。为了使冗余主站SMN在处于管理网络通信时的活动主站AMN失效后能继续控制网络正常运行，需要将活动主站AMN的控制信息实时的保存起来。
保存活动主站AMN的控制信息，需要监听活动主站AMN发出的Preq数据请求帧。用Preq数据请求帧的数据来刷新SMN本地的控制信息。实现这个过程的必要条件是：主站用户程序定义的控制信息需要全部映射进发送的对象字典当中去，这样来自活动主站AMN的Preq数据请求帧就携带了当前网络状态下所有的控制信息，将该控制信息刷新到冗余主站SMN相同的用户程序定义的控制信息所映射的对象字典中去，就实现了控制信息的实时保存。从站CN返回的数据通过Pres更新就可以了。
为了实现Preq数据请求帧刷新发送部分的对象字典功能，需要在数据链路层增加新的发送部分对象字典更新处理模块。为了实现冗余主站转换为活动主站后发出的SoC同步帧的时间与上一周期相同，要对当前活动主站的SoC同步帧中的网络时间记录并每个周期刷新。
3.SMN的优先级
主站冗余支持网络中有多个冗余主站。为了保证冗余主站及时有序的接管网络，需要对冗余主站进行优先级的设定，可通过在对象字典中增加相应的RMN启动参数来实现优先级的设定。
图1为主站冗余模块的结构框图。本设计中，冗余主站SMN的监听和刷新以及优先级的功能是在数据链路层来实现的，冗余主站SMN的状态机仍处于主站状态机下，冗余主站SMN作为一个从站CN可被活动主站AMN发现。
冗余主站SMN运行时，它的状态机进入监听状态下，每个周期刷新来自活动主站AMN的数据请求帧Preq和从站回应帧Pres，判断SoC帧是否超时，刷新在线的从站CN列表。
图2为冗余主站启动过程示意图。冗余主站SMN在启动时，按照设定的优先级启动。优先级高的启动后成为活动主站AMN，低优先级的成为冗余主站SMN。
图3SoC超时定时模块功能图示。冗余主站作为监听站时，启动这个模块，在设定时间内判定活动主站帧是否存在，在判定活动主站失效后启动自身标准主站状态机，使自身变为一个活动主站。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于高速工业以太网主站冗余的方法，其特征在于，当活动主站AMN工作时，冗余主站SMN作为活动主站AMN的从站，并与活动主站AMN进行同步周期通信、监听网络；当活动主站AMN掉线后，按照冗余主站SMN的优先级转变为活动主站AMN并接管网络；包括：
网络监听：冗余主站SMN超时监听网络上来自当前激活的活动主站AMN发出的SoA指令帧和SoC同步帧；所述超时监听分为两个阶段：
第一阶段：活动主站AMN在初始化配置时，冗余主站SMN监听SoA指令帧，用于判断活动主站AMN是否在配置网络；所述第一阶段中，当冗余主站SMN监听到网络上SoA指令帧不存在时，在冗余主站SMN的数据链路层发送一个SoA指令帧超时事件给本地的网络管理状态机NMT，使NMT由从站CN切换到主站MN的模式，激活冗余主站SMN成为活动主站AMN，重新配置整个网络；
第二阶段：活动主站AMN在管理网络通信时，冗余主站SMN监听来自网络的SoC同步帧，用于判断活动主站AMN是否工作；所述第二阶段中，如果活动主站AMN管理网络通信时，当冗余主站SMN监听到网络上SoC帧不存在时，在冗余主站SMN的数据链路层发送一个SoC同步帧的可操作超时事件给本地的网络管理状态机NMT，使网络管理状态机NMT由从站CN切换到主站MN的模式，激活冗余主站SMN成为活动主站AMN，直接进入完整的周期通信状态，继续控制整个网络正常运行；
数据刷新：实时的保存活动主站AMN的控制信息；所述主站MN的控制信息为主站MN的用户定义的过程变量和控制变量；
SMN的优先级：对网络中的多个冗余主站SMN，按照优先级顺序启动。
2.根据权利要求1所述的一种用于高速工业以太网主站冗余的方法，其特征在于，分别添加两个定时器，分别用于SoA指令帧、SoC同步帧的超时监听。
3.根据权利要求1所述的一种用于高速工业以太网主站冗余的方法，其特征在于，所述实时的保存活动主站AMN的控制信息，包括：
监听活动主站AMN发出的Preq数据请求帧，并用Preq数据请求帧的数据来刷新冗余主站SMN本地的控制信息；
用Preq数据来刷新冗余主站SMN本地的控制信息，是通过主站用户程序定义将控制信息映射进发送的对象字典中去来实现的。
4.根据权利要求1所述的一种用于高速工业以太网主站冗余的方法，其特征在于，所述按照优先级顺序为通过在对象字典中增加相应的SMN启动参数来实现优先级的设定。
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