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迈森与您浅谈工业交换机技术的现状与发展

供稿:北京迈森科技有限公司 2017/12/11 16:39:18
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工业交换机发展简介:

随着以太网技术的迅速发展及其在商用领域的应用日渐广泛,越来越多的电力综合自动化系统也逐渐使用以太网并采用TCP/IP协议作为主要的通信标准。虽然应用于电力综合自动化系统领域的以太网标准与商用以太网相同,但在电力综合自动化系统领域,还需要网络能在比较恶劣的工作环境下稳定地工作。因此,用来连接电力综合自动化系统的网络产品需要经过特别设计,才能提供工业级的可靠性,以满足长期连续运行的需求。另外,在工业控制领域,所需连接的设备分布较分散,单个地方连接设备少,这就对支持光纤冗余环路的8端口的光纤网络交换机产品有了较大需求。为了实现光纤冗余环路功能,需要采用高性能的微处理器实现网络的管理和控制功能,并采用高性能的网络交换芯片实现基本的10/100M/1000M以太网交换功能。

1、 工业以太网技术发展现状

所谓工业以太网,一般来讲是指技术上与商用以太网兼容,但在产品设计时,在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。

随着互联网技术的发展与普及推广,Ethernet技术也得到了迅速的发展,Ethernet传输速率的提高和Ethernet交换技术的发展,给解决Ethernet通信的非确定性问题带来了希望,并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面:

1.1通信确定性与实时性

工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求,即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式,网络负荷较大时,网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求,因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求,一直被视为非确定性的网络。

然而,快速以太网与交换式以太网技术的发展,给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机,使这一应用成为可能。首先,Ethernet的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G,在数据吞吐量相同的情况下,通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小,即网络碰撞机率大大下降。其次,采用星型网络拓扑结构,交换机将网络划分为若干个网段。

Ethernet交换机由于具有数据存储、转发的功能,使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲,不再发生碰撞;同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤,使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行,而不需经过主干网,也不占用其它网段的带宽,从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次,全双工通信又使得端口间两对双绞线(或两根光纤)上分别同时接收和发送报文帧,也不会发生冲突。因此,采用交换式集线器和全双工通信,可使网络上的冲突域不复存在(全双工通信),或碰撞机率大大降低(半双工),因此使Ethernet通信确定性和实时性大大提高。    

1.2稳定性与可靠性

Ethernet进入工业控制领域的另一个主要问题是,它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的,而未针对较恶劣的工业现场环境来设计(如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等),故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。

随着网络技术的发展,上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工业应用领域,在极端条件下网络也能稳定工作的问题。

1.3工业以太网协议

由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统,而且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成数据传输之外,往往还需要依靠所传输的数据和指令,执行某些控制计算与操作功能,由多个网络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求,满足互操作条件。

对应于ISO/OSI七层通信模型,以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层;而在其之上的网络层和传输层协议,目前以TCP/IP协议为主(已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准)。而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机设备之间是通过FTP(文件传送协议)、Telnet(远程登录协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、HTTP(WWW协议)、SNMP(简单网络管理协议)等应用层协议进行信息透明访问的,它们如今在互联网上发挥了非常重要的作用。但这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。

为满足工业现场控制系统的应用要求,必须在Ethernet+TCP/IP协议之上,建立完整的、有效的通信服务模型,制定有效的实时通信服务机制,协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务,形成为广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议,进而形成开放的标准。为此,各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分,利用以太网和TCP/IP技术,以及原有的低速现场总线应用层协议,从而构成了所谓的工业以太网协议,如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。

Ethernet/IP

Ethernet/IP网络采用商业以太网通信芯片、物理介质和星形拓扑结构,采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接,能同时支持10Mbps和100Mbps以太网商用产品,Ethernet/IP的协议由IEEE802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP(ControlInformationProtocol)等3个部分组成,前面两部分为标准的以太网技术,其特色就是被称作控制和信息协议的CIP部分。Ethernet/IP为了提高设备间的互操作性,采用了ControlNet和DeviceNet控制网络中相同的CIP,CIP一方面提供实时I/O通信,一方面实现信息的对等传输,其控制部分用来实现实时I/O通信,信息部分则用来实现非实时的信息交换。

工业交换机与商业交换机的性能对比:

商用交换机

工业交换机

安装和连接

•专用网络机柜内连接标准的台式机\工作站\打印机等

• 现场安装(控制柜内或直接安装于自动化设备上,环境恶劣,某些场合甚至要求满足IP67防护等级)

• 连接离散的控制设备和I/O

使用寿命

• 几年或十几年(没有相应标准可遵循)

• 风扇散热

• 备件更换:3年

• 电源(220VAC)

• MTBF20年以上(基于MIL-HDBK217F),有些甚至长达100年以上

• 无风扇散热

• 备件更换:10年

•冗余的电源(24/48VDC,110/220VAC等)

工作环境

• 良好(机房恒温,恒湿)

• 无振动、冲击

• 无重机械负载、无化学物质腐蚀

• 较低的抗电磁干扰能力

• 普通或宽温(-40°- +70/+85°)

• 有具体的抗振动、抗冲击要求

• 牢固的重机械负载设计、防某些化学物质腐蚀

• 较强的抗电磁干扰能力

工业认证

一般的标准

工业EMC标准

冗余要求

• 一般没有冗余或仅仅有核心冗余

• 多种冗余方式的结合

拓朴结构

• 星型

• 总线型

• 树型

• 星型

• 双星型

• 环形

• 双环型

冗余技术

• STP(生成树)

• RSTP(快速生成树)

• Link Aggregation(链路聚合)

• VRRP(虚拟路由冗余协议)

• STP、RSTP

HIPER-Ring

•Redundant Network/Ring Coupling(网络耦合)

• Link Aggregation(链路聚合)

• VRRP(虚拟路由冗余协议)

时钟传输

简单时钟传输(NTP\SNTP)

精密时钟传输(PTP)

网管功能

SNMP协议

SNMP协议\OPC管理协议

迈森工业交换机拓扑图:

迈森工业交换机产品展示:

MS8M系列百兆网管型导轨式工业级以太网交换机,满足IEC61850-3标准,最多支持8个百兆口(最多支持4个光口)。

MS26MC-2G系列千兆网管型机架式工业级以太网交换机,满足 IEC61850-3标准,最多支持24个百兆口(最多支持2个百兆光口),可配置2个千兆COMBO口。

审核编辑(袁键灏)
更多内容请访问 北京迈森科技有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=56343)

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