[发明专利]用于工业控制的多故障容许以太网

说明书

技术领域

本发明总体上涉及故障容许电子通信网络，具体地，涉及一种适用于实时工业控制的、迅速操作以纠正当网络部件故障时出现的故障的故障容许网络。

背景技术

工业控制器是提供制造设备和机器以及过程的实时的、高度可靠的控制的专用计算机。典型地，工业控制器执行所存储的程序以通过一组输入/输入（I/O）电路通过连接到工业控制器的传感器读取来自机器或过程的输入。基于这些输入，工业控制器生成通过致动器等控制机器或过程的输出信号。

工业控制系统的部件常常将遍布工厂分布并且因此将在利用专用协议来提供高速操作（以允许实时控制）以确保可靠地和可预测地传送数据的专用通信网络上通信。

如所期望的，工业控制系统的部件可以使用例如公共可用以太网部件的公共网络部件进行互连。该能力可以削减建立和维持网络的成本并且在一些情况下将允许使用现有的网络基础设施。此外，使用诸如以太网的公共网络的能力可以便于与工业控制系统外部的或者控制过程中没有直接牵涉的设备通信。

采用以太网和相似标准网络的一个障碍是它们不容许故障，就是说，少至一个网络部件中的故障就能够使网络失效，这对于其中可靠性是关键的工业控制系统是不可接受的概率。

现有技术提供了增加以太网和相似网络的故障容许的若干方法。第一种方法是使用环形拓扑，其中每个终端设备（节点）通过环连接到其他节点。环中的一个部件或介质片段的故障仍提供每个节点之间的第二路径。缺陷在于不能适应多个故障（例如两个介质片段故障）。

第二种方法使每个节点配备有软件“中间件”，其控制节点针对两个或更多个不同网络中的一个的连接。在部件或介质故障的情况下，中间件改变本地网络接口以使用新的以太网地址在备份网络上传送和接收消息。该方法能够容许多个故障，但是重新配置网络所需的时间可能多达30秒。后一种方法的另一问题在于需要多个独立网络（一个用于主要用途并且一个用于备份），这些网络可能难于维持，不可避免地具有配置和性能上的差异。

在第三种方法中，使用具有两个或更多个冗余网络基础设施的单个网络并且每个设备配备有多个端口，并且每个端口连接到该网络的冗余基础设施。再次地，每个设备中的中间件配备有通过多个基础设施到达网络中的所有其他设备的替选路径。

当网络故障时需要重新配置每个节点，这在根本上限制了在这些方法中纠正网络故障的速度，原因在于需要复杂的软件（中间件）来检测故障以及坐标地址或者路径状态改变，以及与网络上的其他节点通信所需的时间两者。

出于该原因，如通过引用合并于此的受让于本发明的受让人的于2010年10月19日授权的题为“Fault-Tolerant Ethernet Network”的美国专利7,817,538中所述，已开发了第四种方法。该方法使用具有地址相同的多个端口的终端设备。在故障的情况下监视信标信号的硬件系统迅速地切换端口，基本上消除了网络重新学习网络设备的新地址所需的时间。检测到的故障触发了针对其他网络部件的“学习更新”消息，以便于学习网络设备的新路径。

通过增加终端设备上的端口数目，例如从两个增加到三个，可以扩展该方法以处置影响单个终端设备的多个故障。利用三个端口，可以适应两个故障；利用四个端口，可以适应三个故障，等等。作为一个实际问题，向每个终端设备添加额外的端口的额外的硬件成本在超过两个端口的情况下不能证明是合理的。

发明内容

本发明人已确定，通过增加顶级处的关键网络骨干交换机的数目而不必增加终端设备上的端口数目，可以改进网络故障容许。这允许以更加可升级的方式来适应多个故障。此外，本发明人已确定，与信标消息流动方向相反，引起信号的单向损失的故障可以在延伸的时间段中未被检测到，特别是在与终端设备的未使用的端口相关联时。因此，本发明提供了添加“路径检查”协议和/或基于时间间隔而非故障的发生来定期交换活跃和备份端口。因此获得了改进的网络可靠性。