關于工業(yè)以太網物理層的幾個問題
| 更可靠。 但是隨著IP技術在工業(yè)領域的滲入，如果現場設備層也大量的采用IP設備（如Sensor Actator等）那么可以預見這兩個布線圖會越來越相似，只不過應用于工業(yè)領域的布線設備等級要求會更高，支持移動性方面也會更高。 二、關于工業(yè)網絡的拓撲結構問題 拓撲結構是另一個在物理層上要考慮的問題。拓撲結構指的是如何在網絡中走線。點對點的連接是一個工作站和一個集線器的接口的連接，一個集線器和另一個集線器的連接，或一個工作站和另外一個工作站的連接。 關于工業(yè)以太網的研究表明， EN50173標準 和ISO/ IEC 11801標準所描述的拓撲結構在完成一些較小的修正后完全可以應用到工業(yè)環(huán)境中。 而大多數工業(yè)現場的用戶都比較熟悉總線型的連接即多個工作站共享一個通用的連接。EIA-485或控制器局域網（CAN） 是這些網絡的很好的例子。 但是，總線拓撲結構在工業(yè)以太網中不適合再存在。盡管10BASE2 和10BASE5 確實是總線型的基于同軸線纜的以太網網絡，但由于它們局限于10Mbps的半雙工工作狀態(tài)，更由于它們不被包含在新興的商業(yè)樓宇的布線標準TIA/EIA-568-A 中，它們的用途在逐漸減少。 基于以上原因，工業(yè)以太網的布線多采用星式，即要求連接型集線器或交換型集線器。所以，大家不要再去考慮用總線型的方法去連接傳送系統(tǒng)一類的網絡，盡管其非常簡單。如果要使用工業(yè)以太網，就多使用星型、樹型或環(huán)型的拓撲結構。 在一個典型的工業(yè)環(huán)境中，我們可以從整體的角度做出分割，將其中的各個單元做如下的劃分： 1. CD == Campus distributor,即工業(yè)園區(qū)級節(jié)點 2. BD == Building distributor, 即廠房級節(jié)點 3. FD == Floor distributor，即車間級節(jié)點 4. MD == Machine distributor，即機器（設備）級節(jié)點 5. MO == Machine outlet，即設備輸出節(jié)點 6. TO == Terminal outlet，即終端輸出節(jié)點 對于各個設備輸出節(jié)點而言，其以星形連接方式接入設備網絡。而這個接入設備，一般采用交換機。如在Ethernet/IP，HSE，EPA等方案中，均采用了全雙工式交換機＋100Base-TX的拓撲結構。交換機的優(yōu)勢在于其可通過改變沖突域,以消除網絡沖突的頻繁發(fā)生。不過在上游的兩個端口想同時發(fā)送數據到下游端口時,其沖突還是會發(fā)生的。交換機可將共享的局域網進行有效的網段劃分,使每個用戶盡可能地分享到******帶寬,可以連接共享的以太網段及不同速度的局域網,其交換技術處在網絡七層模型中的第二層,即數據鏈路層中進行操作,因此常被稱為第二層交換。交換機對數據包的轉發(fā)是以以太網的目的介質存取控制（MAC）為基礎的,其端口通過提取每個發(fā)送到交換機的數據包的源MAC地址,得到MAC目的地址及與接收該數據包的端口之間的關系后,就得知了端口與MAC目的地址之間的關系，交換機對用戶的可用帶寬的改善作用非常明顯。但由于第二層交換主要依靠MAC地址來傳送幀信息,采用其不斷收集到的資料建立一個地址表,并記錄下每個MAC地址所來自的端口,將每個以太網包從正確的端口加以發(fā)送，當一個廣播包到來時,需將其發(fā)往交換機的所有端口,對于一個只有交換機構成的網絡極易引發(fā)廣播風暴。并且,由于網絡規(guī)模的不斷擴大,需要由交換機與路由器結合使用,并出現了一些缺陷,為此出現了第三層，第四層交換技術，這里就不在贅述。 與工業(yè)環(huán)境相關的另一個拓撲連接的特性是冗余。 在一般商業(yè)應用上，以太網的冗余技術并不顯得非常重要。以往的集線器 （Hub），交換機 （Switch） 被很多人使用去連接各種基于以太網的設備（如PC）。集線器接收到來自某一端口的消息，再將消息廣播到其它所有的端口。對來自任一端口的每一條消息，集線器都會把它傳遞到其它的各個端口。而交換機能實現消息從一個端口到另一個端口的路由功能，其可以自動探測每臺網絡設備的網絡速度。借助一種稱為“MAC地址表”的功能，交換機還能識別和記憶網絡中的設備。這種智能避免了消息沖突，提高了傳輸性能，相對集線器是一次巨大的改進。但集線器和交換機這樣的設備在顧及了使用的簡單性和價格優(yōu)勢之后，也隨之失去了實現諸如冗余功能這樣的高級要求的可能。 隨后發(fā)展出的管理型交換機 （Managed Switch）相對于集線器和普通交換機，擁有了更多更復雜的功能，其通?？梢酝ㄟ^基于網絡的接口實現完全配置。它可以自動與網絡設備交互，用戶也可以手動配置每個端口的網速和流量控制。 絕大多數管理型交換機還提供一些高級功能，如用于遠程監(jiān)視和配置的SNMP（簡單網絡管理協(xié)議），用于診斷的端口映射，用于網絡設備成組的VLAN（虛擬局域網），用于確保優(yōu)先級消息通過的優(yōu)先級排列功能等。 這些新型功能的加入，使得利用管理型交換機，可以組建冗余網絡。使用環(huán)形拓撲結構，管理型交換機可以組成環(huán)形網絡。每臺管理型交換機能自動判斷最優(yōu)傳輸路徑和備用路徑，當優(yōu)先路徑中斷時自動阻斷（block）備用路徑。 而隨著工業(yè)網絡對于冗余功能的要求變得突出，出現了專門在冗余方面做出功能擴展的管理型冗余交換機。此類交換機提供了一些特殊的功能，特別是針對有穩(wěn)定性、安全性方面嚴格要求的冗余系統(tǒng)進行了設計上的優(yōu)化。 通常構建冗余網絡的方式主要有以下幾種，STP、RSTP； 環(huán)路冗余及主干Trunking技術。 1、STP及RSTP STP（Spanning Tree Protocol），是作為一個鏈路層協(xié)議（IEEE 802.1D）存在的，提供路徑冗余和阻止網絡循環(huán)發(fā)生。它做法是強令備用數據路徑為阻塞（blocked）狀態(tài)。如果一條路徑有故障，該拓撲結構能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構。網絡中斷恢復時間為30-60s之間。RSTP（快速生成樹算法，IEEE 802.1w）作為STP的升級，將網絡中斷恢復時間，縮短到1-2s。STP網絡結構靈活，但存在恢復速度慢的缺點。在很多的工業(yè)環(huán)境中并不適用。 2、環(huán)路冗余 在STP之后，為了能滿足工業(yè)控制網絡實時性強的特點，開始采用環(huán)路連接網絡的方式實現冗余快速恢復。采用這種技術可以使網絡在中斷后300ms之內自行恢復。并可以通過交換機的出錯繼電連接、狀態(tài)顯示燈和SNMP設置等方法來提醒用戶出現的斷網現象。這些都可以幫助診斷環(huán)網什么地方出現斷開。 環(huán)路冗余大體可以采用三種方法： ＊ 單機單環(huán)冗余。 ＊ 雙機單環(huán)冗余。 ＊ 雙機雙環(huán)冗余。 雙環(huán)的主要優(yōu)勢在于可以通過雙通道連接，從而避免單個線纜出錯帶來的問題。雙機同樣也可以避免單個設備出錯帶來的問題。 3、主干冗余Trunking技術 這種方式是將不同交換機的多個端口設置為Trunking主干端口，并建立連接，這樣在交換機之間可以形成一個高速的骨干鏈接。不但成倍的提高了骨干鏈接的網絡帶寬，增強了網絡吞吐量，而且還還提供了另外一個功能，即冗余功能。當網絡中的骨干鏈接產生斷線等問題，那么網絡中的數據會通過剩下的鏈接進行傳遞，保證網絡的通訊正常。Trunking主干網絡可以采用總線型和星型網絡結構，理論通訊距離可以無限延長。該技術由于采用了硬件偵測及數據平衡的方法，所以使網絡中斷恢復時間達到了新的高度，一般恢復時間可以達到10ms以下。 由于冗余會明顯加大設備成本，所以采用什么樣的冗余結構應當根據項目工程需要來考慮。 最后一個有關拓撲的問題是連接線長和連接能力的問題。 商用以太網在線長和連接能力方面有著名的5-4-3規(guī)則：網絡中可以有5個網段，通過4個中繼器連接，但只有3個網段可以連接計算機。 這些類似的規(guī)則在工業(yè)以太網的環(huán)境中仍然發(fā)揮著作用。事實上，在類似于化工等工業(yè)車間中，連接線長的問題是非常突出的。在使用以雙絞線為基礎的線纜還是使用光纖的問題上，一個重要的考慮方面就是連接線長的問題。在不使用中繼器的情況下，線纜需要考慮100m內的限制，對于光纖的限制則可以達到千米級的水平?；谖锢硇再|的要求，各大工業(yè)以太網方案在線長，和可連接節(jié)點數上都做出明確的要求。這方面的工業(yè)標準有：ISO/IEC 11801。[15] 在以上的內容中，我們分別在三個主要方面對工業(yè)以太網物理層的相關問題進行了說明，應該說作為一種以太網的推廣理由，低成本的商用以太網設備可以在工業(yè)控制系統(tǒng)中使用。在某些運用中，這些運用是可行的。但工廠環(huán)境畢竟有其自的特點，盡管都希望使用商業(yè)渠道中可以獲得的以太網芯片和介質，但這些工廠對產品的要求確實與辦公室對這些產品的要求是不同的。這些方面的原因包括一般環(huán)境因素，比如高溫，濕度和振動等的影響;物理環(huán)境因素，如EMC ，射線輻射等，也有安全因素，如電源，接地等方面。在動輒百萬價值的工業(yè)設備上，確實需要有嚴格的設備和環(huán)境標準在。下面給出在電纜，連接器等方面的工業(yè)自動化開放網絡協(xié)會（IAONA）的一個建議標準。[15] 三、關于前端設備的工作機制問題 對于商用以太網，千兆甚至萬兆已成為骨干網的選擇，但對于工業(yè)以太網似乎有些超前，畢竟工業(yè)網絡要求的是穩(wěn)定和實時，因此100BASE-TX和全雙工機制目前已經成為工業(yè)網絡的******。已經在商業(yè)網絡中穩(wěn)定運行多年的100M的標準帶寬能滿足FA/PA的絕大多數通信要求，全雙工機制又能克服CSMA/CD帶來的網絡傳輸不確定性。 目前市面上還有很多的PLC、PAC、HMI以及嵌入式設備選用10M半雙工傳輸機制，含這種機制的NIC前端設備很可能會和與其相連的網絡二層、三層設備不盡兼容（電口10/100M自適應兼容,但光口只有100M全雙工不兼容）存在數據傳輸的不確定性隱患。 （收發(fā)器、光交換機圖片由TSC卓越北京公司提供 ） 如上圖，收發(fā)器和交換機的光口級連，雙方均是100M全雙工，而電口是10M/100M，全雙工/半雙工自適應。 四、小結 &nb |
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