基于PROFINET的冗余解决方案

，则比较简单，输出数据总是同时写给两个I/O子站。PROFINET IO设备的状态变量周期性地发送给PLC，PLC通过状态变量可以知道IO设备的工作状态。

3. 网络冗余

PROFINET采用交换机进行设备的联网。为了保证整个网络的可靠性，需选用支持相关冗余功能的管理型交换机。网络冗余涉及到相关的以太网冗余协议，包括快速生成树(RSTP)和快速环路检测，MRP以及HSR等。

采用RSTP和快速环路检测协议，可以构建多个环，从而保证存在多个冗余路径，增加了系统的可用性。当某个传输路径出现故障时，数据传输会自动切换到备用路径，切换时间为100～500ms;其缺点是切换时间不固定。

PROFINET冗余网络使用环型结构来实现，通常采用MRP协议(IEC 62439/2)，切换时间确定。MRP只允许一个环路。MRP基本机制包括：基于环型拓扑，阻塞和转发报文，维护MAC地址表。其主站称为Media Redundancy Master(MRM)，所有其他的交换机(从站)称为Media Redundancy Clients(MRC)。环路最大允许50台交换机，MRP环路切换时间小于200ms。

IEC 62439-3 Clause 5定义的HSR协议，支持双环拓扑和并行配置，提供了没有任何切换损失的无冲突冗余。在设备故障时，HSR提供了零时间的故障切换，因此适用于非常高的可靠性和极短响应时间的应用。HSR作为面向未来的网络冗余通信协议得到了特别的关注。

HSR节点可组成一个环网，由于每个节点都能够从端口到端口转发帧，因此可无需专用交换机来工作。HSR的结构中，节点组成了一个环，每个节点有两个相同的接口，端口A和端口B。对于每个要发送的帧(C-frame)，源节点通过端口A和端口B发送两个拷贝。每个节点将接收到的帧从端口A中继到端口B，反之亦然。目标节点采纳接收到的这一对帧的第一个帧(D-frame)并丢弃副本。

如果环路中断，帧仍然可以通过另一个完好的路径到达目标节点，对应用没有任何影响。如果路径丢失，因为副本无法到达，所以很容易被检测到。 HSR将多播报文的可用网络带宽减半。HSR限制在第2层广播域，需要一个硬件实现(ASIC 或者 FPGA)来满足时间约束。基于IEEE 1588的时钟同步可能需要每个节点(clock A和clock B)重新同步。

4. SCADA冗余

人机界面(HMI)软件与PLC的数据交换采用OPC通信方式，OPC是以OLE/COM/DCOM机制作为应用程序的通讯标准。OPC规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的开发中脱离出来。

菲尼克斯电气的OPC服务器AX-OPC-Server用于分布式INTERBUS网络或PROFINET网络和应用程序之间的数据交换。采用 OPC技术，INTERBUS/PROFINET技术提供了自动化标准数据接口，控制软件与应用之间不需要专用的软件实现连接。OPC服务器为PC应用程序(如SCADA/MES系统)的读写访问提供控制系统的过程数据和中间变量。

增强版的AX-OPC-Server将支持冗余PLC，这意味着应用程序的数据点以透明的方式呈现，而无需关注数据来自于哪台PLC。因此，对于SCADA系统而言，不需要专用的冗余驱动，不需要在客户端进行附加的配置。

在OPC Configurator中，只需配置Primary PLC的IP地址，OPC Server将自动推算出Backup PLC的IP地址。OPC Server内部将使用两个资源，每个资源将从其对应的PLC获取所需的数据。OPC Server通过推算两台PLC的状态信息，来识别哪台PLC处于Primary状态，该PLC的数据将提供给上位的SCADA软件。写数据只对 Primary PLC有效，并通过数据同步的方式传给Backup PLC。

为了取得快速的切换时间，两个资源的数据都同时在OPC Server中进行缓存。来自于Primary PLC的数据传送给OPC Client，而来自Backup PLC的数据则被丢弃。当切换发生时，OPC Server根据PLC的状态信息立即切换到备用资源，该备用资源也变为主资源。OPC Client无需再重新连接到OPC数据点，切换时间只是取决于所定义的数据更新时间和客户端当前使用的数据量。

随着工业以太网的逐渐普及，基于工业以太网的冗余解决方案的需求将会越来越多。本文提出的冗余方案基于PROFINET通信网络，可实现控制器冗余、I/O冗余、网络冗余以及SCADA冗余等功能。与传统的CPU冗余或者现场总线冗余系统相比，具有技术先进、结构灵活、配置简单及功能完善等优点。

随着IT技术在工业自动化系统的进一步集成应用，工业以太网和PROFINET技术的不断发展，基于PROFINET的冗余解决方案还会有比较大的改进和发展空间，并将得到广泛的应用。