一种基于Zynq的新型工业4.0以太网Kit

作者:清风流云

背景:
无论是工业4.0还是工业IOT(IIOT)系统都依赖于强健的通信网络,而HSR和PRP协议正是用来保证在关键基础设施上网络的可用性的,主要是因为这两种协议的应用可以在网络服务失败时保证0延迟的恢复时间。而可靠的以太网必然是可以接收很多工业自动化应用的,这种演变比较有说明力的一个例子就是国际电子技术委员会为了实现电力变电站的自动化(IEC 62439-3 条款4和5)而采用HSR以太网协议和PRP 协议,这两个协议都提供零切换延迟时间,一边保证不会使传输帧在网络失败或强大的对网络监管层下丢失。此外,这两个协议都支持IEEE 1588同步冗余路径。

SoC-e IP 与HSR/PRP协议 for IIoT APP:
近期,Avnet网站上出现了一篇题为“Zero Downtime industrial IoT Using Programmables SoCs”的新文章,这篇文章讨论了一个基于Xilinx Zynq-7000 SoC (SoC可以为其提供灵活的解决方案)实现的SoC-e的IP设计,而这个IP可以连接到HSR(High-availability Seamless Redundancy)环型网络和PRP parallel Redundancy Protocol)LAN(局域网),同时,这个IP也可以在IEC 61850语境中作为一个网络桥来使用。最后,这篇文章还讨论了一个基于此IP的设计Demo,这个demo就是Avnet基于Zynq开发的MicroZed 工业4.0以太网kit(MicroZed I4EK)。

在文章的第一部分作者详细阐述了HSR和PRP协议的主要内容:PRP是在网络节点而不是在网络中上实现的,PRP节点有两个以太网端口,这两个端口都被称为DANs(Dual attached Nodes),而每一个DAN以太网端口都可以连接到两个独立的以太网网络(LAN A和LAN B)之一上,这样就可以实现一个双冗余的网络拓扑结构,然后DANs可以通过两个网络发送相同的帧。不同于PRP协议,HSR冗余则需要依赖于通过一个环形网络的两个方向发送包文件来实现。

图1:PRP冗余协议

图1:PRP冗余协议

下图是文章中展示出的一个HSR环形网络拓扑结构方框图:

图2:HSP Example of ring configuration for Multicast Traffic

图2:HSP Example of ring configuration for Multicast Traffic

不过,如PRP一样,每一个HSR网络节点也有两个以太网端口,并作为一个HSR的双重附加节点连接到网络中。在HSR 环形网络中,数据包需要向两个方向的节点传输,所以,当数据包连续传输到所有目的地时,一旦在网络的任何地方发生单断裂,都可以被探测到。方框图中的红盒子是一个常规的缺乏DANN网络连通性的以太网设备而配置的DANN适配器(对于只有一个以太网端口的设备,PRP协议也支持红盒子思想)。

所以,IIoT工业系统中往往会同时实现HSR和PRP协议,以便可以增加网络协调的可靠性和安全性(所有这些特点在IIoT网络系统中都已明确表明)。

在文章剩余部分主要描述SoC-e的HSR.PRP转换IP,这个IP是基于Avnet 的MicroZed SOM上的ZynqSoC芯片中的可编程部分实现的,当然,MicroZed SOM也是Avnet MicroZed I4EK的一部分。

总结:
关于以太网的实现往往比较复杂,对可靠传输的要求也比较高,但是为了保证可靠传输采取的策略也比较广泛,而上文中提到的这篇文章中,通过FPGA来实现保证以太网可靠传输的两个协议,并将其封装为一个IP的形式,确实可以将FPGA的优势应用的网络连接应用中,双方互利,不失为一种更好的实现方式。

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