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如何选择工业以太网丨以太网设备包括哪些重要部分?

--工业以太网的组成

供稿:中国工控网 2016/8/9 14:49:43

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  • 关键词: 工业以太网设备
  • 摘要:选择正确的工业以太网要考虑哪些因素?简单的来说,要从工业以太网通讯协议、电源、通信速率、工业环境认证考虑、安装方式、外壳对散热的影响、简单通信功能和通信管理功能、电口或光口的考虑。

在工业以太网的应用广泛普及的今天,今天的控制系统和工厂自动化系统常常采用工业以太网技术完成工业控制任务,但是,IT工程师们对于工业以太网的了解往往局限于办公自动化商业工业以太网,这就可能导致工业以太网在控制系统系统中实施的简单化和商业化,不能真正理解工业以太网在工业现场的意义,也无法真正利用工业以太网内在的特殊功能,常常造成工业以太网现场实施的不彻底,给整个控制系统留下不稳定因素。

选择正确的工业以太网要考虑哪些因素?简单的来说,要从工业以太网通讯协议、电源、通信速率、工业环境认证考虑、安装方式、外壳对散热的影响、简单通信功能和通信管理功能、电口或光口的考虑。这些都是最基本需要了解的产品选择因素。如果对工业以太网的网络管理有更高要求,则需要考虑所选择产品的高级功能如:信号强弱、端口设置、出错报警、串口使用、主干(TrunkingTM)冗余、环网冗余、服务质量(QoS)、虚拟局域网(VLAN)、简单网络管理协议(SNMP)、端口镜像等等其他工业以太网管理交换机中可以提供的功能。不同的控制系统对网络的管理功能要求不同,自然对管理型交换机的使用也有不同要求。控制工程师们应该根据其系统的设计要求,挑选适合自己系统的工业以太网产品。

由于工业环境对工业控制网络可靠性能的超高要求,工业以太网的冗余功能应运而生。从快速生成树冗余(RSTP)、环网冗余(RapidRingTM)到主干冗(TrunkingTM),都有各自不同的优势和特点,控制工程师们可以根据自己的要求进行选择。

工业以太网设备包括以下几个重要部分。

工业以太网集线器

相信绝大多数人都熟悉集线器。很多人使用这种简易设备去连接各种基于以太网的设备,如个人计算机,可编程控制器等。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。在消息传递方面,集线器是低速低效的,可能会出现消息冲突。然而,集线器的使用非常简单-实际上可以即插即用。集线器没有任何华而不实的功能,也没有冗余功能。

工业以太网非管理型交换机

集线器的发展产生了一种叫非管理型交换机的设备。它能实现消息从一个端口到另一个端口的路由功能,相对集线器更加智能化。非管理型交换机能自动探测每台网络设备的网络速度。另外,它具有一种称为“MAC地址表”的功能,能识别和记忆网络中的设备。换言之,如果端口2收到一条带有特定识别码的消息,此后交换机就会将所有具有那种特定识别码的消息发送到端口2。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。然而,非管理型交换机不能实现任何形式的通信检测和冗余配置功能。

工业以太网管理型交换机

工业以太网连接设备发展的下一代产品是管理型交换机。相对集线器和非管理型交换机,管理型交换机拥有更多更复杂的功能,价格也高出许多-通常是一台非管理型交换机的3~4倍。管理型交换机提供了更多的功能,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。一些老设备可能无法使用自动交互功能,因此手动配置功能是必不可缺的。

绝大多数管理型交换机通常也提供一些高级功能,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。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。

工业以太网管理型冗余交换机

高级的管理型冗余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。构建冗余网络的主要方式主要有以下几种,STP、RSTP;环网冗余RapidRingTM以及Trunking。

1工业以太网 STP及RSTP

STP(Spanning Tree Protocol,生成树算法,IEEE 802.1D),是一个链路层协议,提供路径冗余和阻止网络循环发生。它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。生成树算法网络结构灵活,但也存在恢复速度慢的缺点。

2 工业以太网环网冗余

为了能满足工控网络实时性强的特点,RapidRing孕育而生。这是在工业以太网网络中使用环网提供高速冗余的一种技术。这个技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。并可以通过工业以太网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。

RapidRingTM也支持两个连接在一起的环网,使网络拓朴更为灵活多样。两个环通过双通道连接,这些连接可以是冗余的,避免单个线缆出错带来的问题。

3 工业以太网主干冗余

将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口,并建立连接,则这些工业以太网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。如果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,一般恢复时间在10ms以下。


审核编辑(王雪)
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