工业以太网环网冗余技术研究及在FPGA上的实现

摘要

工业以太网作为工业控制系统的核心通信载体,其运行稳定性直接决定工业生产的连续性与可靠性｡针对工业环境下链路中断､设备故障导致的通信失效问题,本文深入研究工业以太网环网冗余技术的核心原理与实现机制,梳理主流冗余协议的技术特性与适用场景,重点聚焦ERPS协议的原理与实现｡在系统实现层面,本文提出基于FPGA+千兆交换芯片的协同架构方案,利用交换芯片的SERDES接口外接光模块构建光纤环网,电口内置PHY经网络变压器直接引出电口连接工业终端,由交换芯片承担高速数据交换,由FPGA实现ERPS协议状态机､故障检测与冗余切换等核心控制逻辑｡通过与交换芯片内置ERPS功能方案的对比分析,研究表明FPGA+交换芯片协同架构切换时延可控制在5ms以内,较芯片内置方案缩短60%以上,满足工业控制对实时性与可靠性的严苛要求,为工业以太网环网冗余系统的工程化应用提供理论支撑与技术参考｡