乙太網

目前大多數工業網絡都是基於乙太網的，自1983年乙太網標準化以來，無論是從技術角度還是從應用角度來看，它都不斷地發展中。計算機網絡的最初用途已擴展為工業現場匯流排（PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、SercosIII等）、航空航天（AFDX）、能源（IEC61850）、汽車（確定性乙太網）和運輸。

變電站保護、自動化和控制系統(PACS)等關鍵系統可以從乙太網技術中受益，前提是它可以確保在網路故障的情況下不會丟失幀、有效整合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“工業通信網路——高可用性自動化網路”，並開發和發布能夠在這些冗餘環境中運行的精確時間協議IEEE 1588的特定配置文件。

高可用性乙太網

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餘(HSR)協議和並行冗餘協議(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面向乙太網環形拓撲，它確保幀傳送時間的已知最壞情況。 PRP與兩個獨立的舊式乙太網網路一起工作，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路。

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（可靠乙太網與IEEE 1588相結合）的示例，IEC智能電網戰略組建議採用IEEE 1588-2008標準中定義的PTP，用於變電站中的高精度時間同步。 PTP直接通過乙太網在變電站網路中分配絕對時間，實現納秒範圍內的同步精度。

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，為了考慮網路節點引入的延遲，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更常見於其他場景。例如:一些目標應用是用於天然氣和石油的分佈式傳感器數據採集、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進行分佈式數據採集。

HSR/PRP網絡無縫合併解決方案

在實時部分和非實時部分中，需要完全冗餘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網絡發送和接收重複幀。

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，適用於面向控制的通信。

例如，IEC 61850變電站的典型零延遲恢復時間拓撲基於在站總線部分實施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標准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）冗餘的IEEE1588配置文件。

在航空先進製造中心工廠（CFAA）中實施的另一種替代方案是使用插入兩台工業PC計算機的兩個RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡。這種設置由於這些設備支持的PRP-to-HSR特殊模式，允許將PRP部分與工廠中的HSR互連。

對於此設置，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，該輸入通常用於連接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應用程序並選擇PRP-HSR操作。

結論

本文結合PTP總結了高可用性協議HSR和PRP的概念，並介紹了可無縫集成到任何工業計算機中的即用型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。由於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，並重用現有網關或PC SCADA系統來管理數據包處理。

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