原创 PROFIBUS冗余方案的实现

PROFIBUS冗余方案的实现  

                      基于德国COMSOFT公司的PRS冗余交换机

                                                       ——Xavier Xie 广州虹科电子科技有限公司

对于某些行业、某些对象在安全方面和工艺方面有特殊要求的过程控制的现场总线，系统冗余的问题显得十分的必要。在PROFIBUS DP主站冗余理念中，两个完全相同（地址配置）的DP主站是必不可少的，但如何可靠、安全、迅速地实现两个DP主站的线路切换，是每一个冗余系统必须面对的问题和挑战。在以往的PROFIBUS冗余方案中，是通过建立Flying Master原则来实现的，这种方案中不可避免的缺点是成本和空间要求都很高，这给安装调试和维护带来了更多的问题和更长的排故时间，而且市场上很多DP主站是不支持Flying Master原则的，因为两个DP主站要预防同时被连接到总线上，导致双地址冲突，系统瘫痪。本文所描述的方案是基于德国COMSOFT公司的PRS冗余交换器实现的，它能够避免当前冗余理念中的所有缺点，且简单，快速，安全。

PRS是一款紧凑型24伏帽轨模块内含切换逻辑和智能双DP主站接口的DP从站。该设备可连接两个DP主站并连接到其它所有DP从站网络中。该交换机控制PROFIBUS协议和应用层上运作的DP主站的状态。假如某一个运作的主站有故障，该交换机就会物理切换到另一个待机的主站，整个切换过程并不影响DP从站的工作，即使PRS交换器本身出现故障而无法工作了，也不会影响原本主站的正常工作。

图1是本套方案的基本结构图。

图1：基于PRS的Profibus冗余结构图

从图中可以看到，PRS可连接两个完全相同的主站（包括配置，地址等等可完全相同），而下面又接了许多的从站设备，而PRS本身也作为一个从站存在，它也有自己唯一的站地址。

图2是PRS的接口图。

图2：PRS接口图

PRS的供电电压为24V，RS232服务接口可供连接PC，并对PRS进行基本设置，通过上下开关可设置PRS本身的从站地址，MasterA和MasterB用于连接DP主站，Slave用于连接DP从站，而附加的EthernetA和EthernetB网口提供了另一种主站连接PRS的方式。

在简单介绍完这套方案之后，下面进行实物测试。

图3是本方案的实物连接图，其中包括一个电源模块，两个Profibus主站（COMSOFT的FNL模块），一个PRS模块，一个从站（COMSOFT的XPS-E网关）。Profibus主站通过网线连接PC，通过PC对其进行组态，下载，控制。

图3：实物连接图

需要注意的是两主站均作为该网络的头站，所以终端均打ON，而从站作为该网络的尾站，终端电阻也需要打ON，而连接到PRS上的三个终端都需要打OFF。

图4是主站的组态结构图。

图4：主站组态结构图

组态软件也是COMSOFT公司开发的Configurator II，可以看到，PRS也是有GSD文件的，也是需要在主站中进行组态的。

把两台主站组态成一模一样之后下载到主站中，可通过软件启动主站，并给设备上电。PRS首先把PROFIBUS网络切换到哪一个主站取决于主站的激活顺序，哪一个主站先激活，就可先连接到PROFIBUS网络中。若PRS上电前两主站都已经被激活，那么PRS默认连接MasterA。

MasterA与MasterB同时正常运行，PRS把PROFIBUS网络切换到MasterA的控制下，从图5.1可以看到，MasterA和MasterB都在运行中，而从图5.2可以看到，PRS的SIDE A，RUN A，RUN B均长亮，而DP部分的SIDE A和SIDE B的ALIVE灯也长亮，说明MasterA和MasterB均处于正常可运行状态。

图5.1：MasterA和MasterB运行中

图5.2：PRS指示灯

此时，从组态上来看，MasterA的所有站点均正常，而MasterB中除了PRS这个站点之外的其它站点都无法找到，如图5.3和5.4所示。

图5.3：MasterA运行时系统情况

图5.4：MasterB未连接到网络中

若把MasterB反激活，则SIDE B的ALIVE灯熄灭，如图5.5 

   图5.5：MasterB未激活时

在这个方案中，PRS作为主站下来的第一个从站，而且主站跟PRS后面的所有从站通信都必须先经过PRS，如果由于种种原因导致PRS出错或掉电，这时整个系统是不会受到影响的，它会保持原来已连接到网络中的主站继续工作。如图6.1所示，PRS已掉电，但原有的主站仍处于工作状态，整个网络也不会停机。

图6.1：PRS掉电，系统正常工作

此时，从组态上可以看到，PRS这个站点已经掉站，呈现红色，而其它的从站是可以正常运行的，如图6.2。

图6.2：PRS掉电时的系统情况

总而言之，这套方案对于实现PROFIBUS主站冗余是非常快速且可靠的，其优点也是显而易见的：

1、避免双主站地址冲突

2、两DP主站可以被相同配置

3、可与第一个标准的DP主站工作

4、通过PRS不会影响PROFIBUS数据通信，即使PRS出错

伴随着工业的智能化、自动化程度的提高，企业对系统的可靠性要求也越来越高。因此，不同程度的冗余要求是必要的，为保证在现场总线可靠、安全、持久的运行，PROFIBUS DP冗余交换机在今后的总线中将发挥至关重要的作用。