关于工业以太网物理层的几个问题
| 更可靠。 但是随着IP技术在工业领域的渗入，如果现场设备层也大量的采用IP设备（如Sensor Actator等）那么可以预见这两个布线图会越来越相似，只不过应用于工业领域的布线设备等级要求会更高，支持移动性方面也会更高。 二、关于工业网络的拓扑结构问题 拓扑结构是另一个在物理层上要考虑的问题。拓扑结构指的是如何在网络中走线。点对点的连接是一个工作站和一个集线器的接口的连接，一个集线器和另一个集线器的连接，或一个工作站和另外一个工作站的连接。 关于工业以太网的研究表明， EN50173标准 和ISO/ IEC 11801标准所描述的拓扑结构在完成一些较小的修正后完全可以应用到工业环境中。 而大多数工业现场的用户都比较熟悉总线型的连接即多个工作站共享一个通用的连接。EIA-485或控制器局域网（CAN） 是这些网络的很好的例子。 但是，总线拓扑结构在工业以太网中不适合再存在。尽管10BASE2 和10BASE5 确实是总线型的基于同轴线缆的以太网网络，但由于它们局限于10Mbps的半双工工作状态，更由于它们不被包含在新兴的商业楼宇的布线标准TIA/EIA-568-A 中，它们的用途在逐渐减少。 基于以上原因，工业以太网的布线多采用星式，即要求连接型集线器或交换型集线器。所以，大家不要再去考虑用总线型的方法去连接传送系统一类的网络，尽管其非常简单。如果要使用工业以太网，就多使用星型、树型或环型的拓扑结构。 在一个典型的工业环境中，我们可以从整体的角度做出分割，将其中的各个单元做如下的划分： 1. CD == Campus distributor,即工业园区级节点 2. BD == Building distributor, 即厂房级节点 3. FD == Floor distributor，即车间级节点 4. MD == Machine distributor，即机器（设备）级节点 5. MO == Machine outlet，即设备输出节点 6. TO == Terminal outlet，即终端输出节点 对于各个设备输出节点而言，其以星形连接方式接入设备网络。而这个接入设备，一般采用交换机。如在Ethernet/IP，HSE，EPA等方案中，均采用了全双工式交换机＋100Base-TX的拓扑结构。交换机的优势在于其可通过改变冲突域,以消除网络冲突的频繁发生。不过在上游的两个端口想同时发送数据到下游端口时,其冲突还是会发生的。交换机可将共享的局域网进行有效的网段划分,使每个用户尽可能地分享到最大带宽,可以连接共享的以太网段及不同速度的局域网,其交换技术处在网络七层模型中的第二层,即数据链路层中进行操作,因此常被称为第二层交换。交换机对数据包的转发是以以太网的目的介质存取控制（MAC）为基础的,其端口通过提取每个发送到交换机的数据包的源MAC地址,得到MAC目的地址及与接收该数据包的端口之间的关系后,就得知了端口与MAC目的地址之间的关系，交换机对用户的可用带宽的改善作用非常明显。但由于第二层交换主要依靠MAC地址来传送帧信息,采用其不断收集到的资料建立一个地址表,并记录下每个MAC地址所来自的端口,将每个以太网包从正确的端口加以发送，当一个广播包到来时,需将其发往交换机的所有端口,对于一个只有交换机构成的网络极易引发广播风暴。并且,由于网络规模的不断扩大,需要由交换机与路由器结合使用,并出现了一些缺陷,为此出现了第三层，第四层交换技术，这里就不在赘述。 与工业环境相关的另一个拓扑连接的特性是冗余。 在一般商业应用上，以太网的冗余技术并不显得非常重要。以往的集线器 （Hub），交换机 （Switch） 被很多人使用去连接各种基于以太网的设备（如PC）。集线器接收到来自某一端口的消息，再将消息广播到其它所有的端口。对来自任一端口的每一条消息，集线器都会把它传递到其它的各个端口。而交换机能实现消息从一个端口到另一个端口的路由功能，其可以自动探测每台网络设备的网络速度。借助一种称为“MAC地址表”的功能，交换机还能识别和记忆网络中的设备。这种智能避免了消息冲突，提高了传输性能，相对集线器是一次巨大的改进。但集线器和交换机这样的设备在顾及了使用的简单性和价格优势之后，也随之失去了实现诸如冗余功能这样的高级要求的可能。 随后发展出的管理型交换机 （Managed Switch）相对于集线器和普通交换机，拥有了更多更复杂的功能，其通常可以通过基于网络的接口实现完全配置。它可以自动与网络设备交互，用户也可以手动配置每个端口的网速和流量控制。 绝大多数管理型交换机还提供一些高级功能，如用于远程监视和配置的SNMP（简单网络管理协议），用于诊断的端口映射，用于网络设备成组的VLAN（虚拟局域网），用于确保优先级消息通过的优先级排列功能等。 这些新型功能的加入，使得利用管理型交换机，可以组建冗余网络。使用环形拓扑结构，管理型交换机可以组成环形网络。每台管理型交换机能自动判断最优传输路径和备用路径，当优先路径中断时自动阻断（block）备用路径。 而随着工业网络对于冗余功能的要求变得突出，出现了专门在冗余方面做出功能扩展的管理型冗余交换机。此类交换机提供了一些特殊的功能，特别是针对有稳定性、安全性方面严格要求的冗余系统进行了设计上的优化。 通常构建冗余网络的方式主要有以下几种，STP、RSTP； 环路冗余及主干Trunking技术。 1、STP及RSTP STP（Spanning Tree Protocol），是作为一个链路层协议（IEEE 802.1D）存在的，提供路径冗余和阻止网络循环发生。它做法是强令备用数据路径为阻塞（blocked）状态。如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置及链路重构。网络中断恢复时间为30-60s之间。RSTP（快速生成树算法，IEEE 802.1w）作为STP的升级，将网络中断恢复时间，缩短到1-2s。STP网络结构灵活，但存在恢复速度慢的缺点。在很多的工业环境中并不适用。 2、环路冗余 在STP之后，为了能满足工业控制网络实时性强的特点，开始采用环路连接网络的方式实现冗余快速恢复。采用这种技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。并可以通过交换机的出错继电连接、状态显示灯和SNMP设置等方法来提醒用户出现的断网现象。这些都可以帮助诊断环网什么地方出现断开。 环路冗余大体可以采用三种方法： ＊ 单机单环冗余。 ＊ 双机单环冗余。 ＊ 双机双环冗余。 双环的主要优势在于可以通过双通道连接，从而避免单个线缆出错带来的问题。双机同样也可以避免单个设备出错带来的问题。 3、主干冗余Trunking技术 这种方式是将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口，并建立连接，这样在交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。不但成倍的提高了骨干链接的网络带宽，增强了网络吞吐量，而且还还提供了另外一个功能，即冗余功能。当网络中的骨干链接产生断线等问题，那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递，保证网络的通讯正常。Trunking主干网络可以采用总线型和星型网络结构，理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法，所以使网络中断恢复时间达到了新的高度，一般恢复时间可以达到10ms以下。 由于冗余会明显加大设备成本，所以采用什么样的冗余结构应当根据项目工程需要来考虑。 最后一个有关拓扑的问题是连接线长和连接能力的问题。 商用以太网在线长和连接能力方面有著名的5-4-3规则：网络中可以有5个网段，通过4个中继器连接，但只有3个网段可以连接计算机。 这些类似的规则在工业以太网的环境中仍然发挥着作用。事实上，在类似于化工等工业车间中，连接线长的问题是非常突出的。在使用以双绞线为基础的线缆还是使用光纤的问题上，一个重要的考虑方面就是连接线长的问题。在不使用中继器的情况下，线缆需要考虑100m内的限制，对于光纤的限制则可以达到千米级的水平。基于物理性质的要求，各大工业以太网方案在线长，和可连接节点数上都做出明确的要求。这方面的工业标准有：ISO/IEC 11801。[15] 在以上的内容中，我们分别在三个主要方面对工业以太网物理层的相关问题进行了说明，应该说作为一种以太网的推广理由，低成本的商用以太网设备可以在工业控制系统中使用。在某些运用中，这些运用是可行的。但工厂环境毕竟有其自的特点，尽管都希望使用商业渠道中可以获得的以太网芯片和介质，但这些工厂对产品的要求确实与办公室对这些产品的要求是不同的。这些方面的原因包括一般环境因素，比如高温，湿度和振动等的影响;物理环境因素，如EMC ，射线辐射等，也有安全因素，如电源，接地等方面。在动辄百万价值的工业设备上，确实需要有严格的设备和环境标准在。下面给出在电缆，连接器等方面的工业自动化开放网络协会（IAONA）的一个建议标准。[15] 三、关于前端设备的工作机制问题 对于商用以太网，千兆甚至万兆已成为骨干网的选择，但对于工业以太网似乎有些超前，毕竟工业网络要求的是稳定和实时，因此100BASE-TX和全双工机制目前已经成为工业网络的首选。已经在商业网络中稳定运行多年的100M的标准带宽能满足FA/PA的绝大多数通信要求，全双工机制又能克服CSMA/CD带来的网络传输不确定性。 目前市面上还有很多的PLC、PAC、HMI以及嵌入式设备选用10M半双工传输机制，含这种机制的NIC前端设备很可能会和与其相连的网络二层、三层设备不尽兼容（电口10/100M自适应兼容,但光口只有100M全双工不兼容）存在数据传输的不确定性隐患。 （收发器、光交换机图片由TSC卓越北京公司提供 ） 如上图，收发器和交换机的光口级连，双方均是100M全双工，而电口是10M/100M，全双工/半双工自适应。 四、小结 &nb |
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