一、引言

目前，各个行业正在朝着以太网发展。近年来出现了一些技术创新，以增强标准以太网的弹性，并将其用作OT和IT的通用链路层。在具有高可用性和严格时序要求的关键领域，如电气领域，这些技术创新得到了发展。

若想将这些技术创新落实到实际应用，则需要向系统集成商提供即用型设备。从这个意义上说，本文介绍了来自虹科智能PCIe卡RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe的用例。该解决方案支持零延迟恢复时间以太网协议（HSR和PRP），和自主管理精确时间协议（PTP或IEEE1588），以通过以太网实现精确时间同步。此外，该板卡还集成了时钟协议网关，简化了与PTP参考不兼容的旧系统的同步。例如，提出的用例解决了高可用性以太网网络集成商的需求：PRP和HSR网络的简单互连。该解决方案无需额外的中间RedBox外部设备集成，并允许重用现有网关或PCScada系统来管理数据包处理，这要归功于RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe上嵌入的DAN和RedBox的双重功能。

二、以太网

目前大多数工业网络都是基于以太网的，自1983年以太网标准化以来，无论是从技术角度还是从应用角度来看，它都在不断发展中。计算机网络的最初用途已扩展为工业现场总线（PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、SercosIII等）、航空航天（AFDX）、能源（IEC61850）、汽车（确定性以太网）和运输。

变电站保护、自动化和控制系统(PACS)等关键系统可以从以太网技术中受益，前提是它可以确保在网络故障的情况下不会丢失帧、有效集成准确的时序同步方案、供应商之间的互操作性以及一些基本的实时操作能力。从这个意义上说，IEC组织开展了一项非常有价值的标准化工作，发布了IEC62349-3“工业通信网络——高可用性自动化网络”，并开发和发布能够在这些冗余环境中运行的精确时间协议IEEE 1588的特定配置文件。

三、高可用性以太网

该标准IEC62349-3的第5部分和第4部分分别定义了高可用性无缝冗余(HSR)协议和并行冗余协议(PRP)。两者都提供零延迟恢复时间和以太网网络上的无帧丢失。HSR面向以太网环形拓扑，它确保帧传送时间的已知最坏情况。PRP与两个独立的旧式以太网网络一起工作，它不适合在实时场景中工作。事实上，PRP、HSR和PTP可以结合起来支持时间感知网络。

四、精确时间协议（PTP）

工业控制系统对亚微秒级同步的要求越来越高。作为在行业中引入这种组合方法（可靠以太网与IEEE1588相结合）的示例，IEC智能电网战略组建议采用IEEE 1588-2008标准中定义的PTP，用于变电站中的高精度时间同步。PTP直接通过以太网在变电站网络中分配绝对时间，实现纳秒范围内的同步精度。PTP系统遵循主从层次结构，其中主设备施加时间，从设备在相位和频率上与其同步。传播延迟由从站自动补偿，为了考虑网络节点引入的延迟，必须在中间节点中添加透明时钟(TC)功能。

因此，网络中的所有交换机都应支持TC操作，以纠正被交换的PTP帧，以免失去预期的准确性。典型的PTP网络由分隔不同时钟区域的PTP边界时钟设备和能够作为主设备和从设备工作的PTP普通时钟完成。

除了在电力领域的广泛使用之外，IEEE 1588更常见于其他场景。例如，一些目标应用是用于天然气和石油的分布式传感器数据采集、确定性以太网的时间参考、电机驱动器的相位和频率同步或从航空航天和国防中的DAU进行分布式数据采集。

图1使用RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe解决方案合并HSR和PRP网络

五、虹科PRP和HSR网络的无缝合并解决方案

在实时部分和非实时部分中需要完全冗余路径的关键基础设施可以从PRP和HSR网络的结合中受益。

PRP由两个标准以太网组成，支持PRP的设备负责通过两个LAN网络发送和接收重复帧。这种方法非常适合重用常规以太网基础设施，但它缺乏任何机制来确保给定帧的最坏情况下的交付时间。HSR允许计算此参数。因此，它是一种标准化和可互操作的解决方案，适用于面向控制的通信。

例如，IEC 61850变电站的典型零延迟恢复时间拓扑基于在站总线部分实施PRP，在过程总线区域实施HSR环。PRP网络与HSR环的连接必须通过两个不同的点来完成，避免前面提到的SPOF。IEC62349-3标准定义了进行互连的设备的行为方式。具体来说，当帧通过一个网络到达另一个网络时，它们需要支持HSR/PRP模式以正确管理序列号字段。从集成商的角度来看，一种选择是组合和配置支持PRP-HSR的独立RedBox设备，支持能够处理（组合）冗余的IEEE1588配置文件。

图2 虹科合作伙伴RELYUM参与航空先进制造中心（CFAA）的活动

在航空先进制造中心工厂（CFAA，图2）中实施的另一种替代方案包括使用插入两台工业PC计算机的两个RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡，如图3所示。这种设置由于这些设备支持的PRP-to-HSR特殊模式，允许将PRP部分与工厂中的HSR互连。图1总结了设置图。对于此设置，HSR环是光纤，而PRP网络是GbE铜介质。每个PRP分支都连接到以太网输入，该输入通常用于连接RedBox操作中的标准LAN。配置只需几分钟且只需一次：操作员连接到嵌入在PCIe卡中的Web应用程序并选择PRP-HSR操作，如图4所示。

图3虹科RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡插入PC服务器

图4嵌入式基于web的配置工具

六、结论

本文结合PTP总结了高可用性协议HSR和PRP的概念。此外，还推出了一款即用型PCIe产品，可无缝集成到任何工业计算机中。为了说明这些智能设备的适用性，我们描述了一个真实的用例。本文提出的贡献旨在简化和降低实施HSR/PRP网络的总体成本。

七、技术用例

文章提出的方案解决了高可用性以太网网络集成商的需求：实现PRP和HSR网络的简单互连。由于RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe上嵌入了DAN和RedBox的双重功能，它无需额外的中间RedBox外部设备，并重用现有网关或PCSCADA系统来管理数据包处理。虹科为电网、轨道交通等领域提供关键系统中的网络、同步和网络安全的创新解决方案。