簡(jiǎn)介 以太網(wǎng)已經(jīng)獲得巨大的成功，并且被公司和大學(xué)辦公室所接受，現(xiàn)在正逐步的拓展有更多需求的工業(yè)環(huán)境應(yīng)用。以太網(wǎng)的吸引力包括監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸，被用來(lái)建立和配置設(shè)備的現(xiàn)存實(shí)用工具（如Telnet） ，還有可以從某個(gè)中心位置可以安裝控制設(shè)備的程序的能力。這些類(lèi)型的應(yīng)用經(jīng)常使用在“管理層”，盡管以太網(wǎng)同時(shí)也在逐漸的滿(mǎn)足“設(shè)備層”的應(yīng)用。 這包括使用TCP/IP的以太網(wǎng)連接賴(lài)傳輸控制信號(hào)，比如在機(jī)器人技術(shù)中，操作高速排列的設(shè)備和SCADA(管理控制和數(shù)據(jù)采集)的應(yīng)用。 在這篇文章中，我們討論以太網(wǎng)的一些基本特性，它是如何應(yīng)用到工業(yè)環(huán)境中，然后考慮一下以太網(wǎng)交換機(jī)在幫助確保數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)路傳輸中起到的是什么特別角色。 什么阻止了以太網(wǎng)向工業(yè)環(huán)境發(fā)展？ Towards a more deterministic Ethernet—Switches to the rescue What makes an Ethernet Switch Industrial? Who needs an Industrial Ethernet Switch? Summary 什么阻止了以太網(wǎng)向工業(yè)環(huán)境發(fā)展？ 如最初所說(shuō)的一樣，以太網(wǎng)的半雙工，且并存于總線拓?fù)?，?dǎo)致了“不確定“的數(shù)據(jù)傳輸接口，而這樣的以太網(wǎng)就意味著某些類(lèi)型的“沖突檢測(cè)和避免”機(jī)制（這個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)就是：CSMA/CD，或者是帶碰撞檢測(cè)的多路載波存?。┬枰⑾鄳?yīng)規(guī)格。 這自然使更加簡(jiǎn)單和更加熟悉的RS-232接口有著強(qiáng)烈的呼聲，并且理由之一是工控行業(yè)的使用者贊同任何有專(zhuān)利的接口而避免使用以太網(wǎng)。但是，現(xiàn)今的以太網(wǎng)絡(luò)是全雙工的，且存在于星形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，盡管CSMA/CD仍然存在其間，100Mbps傳輸網(wǎng)絡(luò)和高速的以太網(wǎng)交換機(jī)的越來(lái)越多的使用將設(shè)備隔離在相互獨(dú)立的碰撞域，在以太網(wǎng)中產(chǎn)生了確定型的傳輸。 另一個(gè)阻礙以太網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境中使用的原因是以太網(wǎng)設(shè)備最初是和PC一起發(fā)展的。意思是，以太網(wǎng)設(shè)備被希望于能在和PC所工作的環(huán)境一樣出色的工作，比如在家中，辦公室里或者在氣溫可調(diào)節(jié)的機(jī)房里。這意味著存在一條規(guī)則，商用的以太網(wǎng)設(shè)備如果工作在有更多需求的工業(yè)環(huán)境中是不完全可靠的。 向有更多確定性的以太網(wǎng)交換機(jī)尋求解決辦法 這就可以圍繞由CSMA/CD帶來(lái)的確定性問(wèn)題尋找解決辦法。首先是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的傳輸方式。以太網(wǎng)通常都是半雙工，這就是說(shuō)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)。然而，現(xiàn)在的以太網(wǎng)是全雙工的工作模式，允許以太網(wǎng)卡在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候同時(shí)可以發(fā)送數(shù)據(jù)（或者相反）。 這種情形經(jīng)常表現(xiàn)為全雙工的10Mbps，操作在相當(dāng)于20Mbps的速率下，因?yàn)槊總€(gè)方向的傳輸速率都在10Mbps。 另一種減少數(shù)據(jù)幀碰撞機(jī)會(huì)的方法是盡量使同一網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的數(shù)量最小。為什么會(huì)有這個(gè)滿(mǎn)意的效果是很明顯的。越少的設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)即為在同一時(shí)間更多的設(shè)備企圖傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)更少。 第三種解決方法是確定性問(wèn)題，并且這節(jié)標(biāo)題的重點(diǎn)是用以太網(wǎng)交換機(jī)將少量的設(shè)備隔離起來(lái)形成所謂的“碰撞”域。交換機(jī)是有多個(gè)內(nèi)建的以太網(wǎng)端口和自己的處理器的專(zhuān)門(mén)的連接盒。交換機(jī)接收到數(shù)據(jù)幀，將轉(zhuǎn)發(fā)給交換機(jī)的每個(gè)端口，但是當(dāng)交換機(jī)知道哪個(gè)MAC地址對(duì)應(yīng)哪個(gè)端口時(shí)， 它將只轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀給數(shù)據(jù)目標(biāo)地址所對(duì)應(yīng)的端口。 舉個(gè)例子，假設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有500個(gè)主機(jī)，大家都競(jìng)爭(zhēng)使用同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)橛羞@么多的主機(jī)，那就很有可能2個(gè)主機(jī)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。現(xiàn)在假想一下，我們使用以太網(wǎng)交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)中的10臺(tái)設(shè)備隔離成自己的“沖突域”。效果就是大量減少了從10個(gè)計(jì)算機(jī)發(fā)出的消息或者到達(dá)這10個(gè)計(jì)算機(jī)的碰撞的機(jī)會(huì)。實(shí)際上，把嚴(yán)格控制的設(shè)備放在自己的沖突域中，發(fā)生沖突的機(jī)會(huì)將幾乎減少為零。 什么促使了以太網(wǎng)交換機(jī)工業(yè)化 當(dāng)以太網(wǎng)從辦公室轉(zhuǎn)移到工廠的時(shí)候，記住大部分商用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都是為舒適的辦公室環(huán)境和溫度可控的機(jī)房而設(shè)計(jì)的，這點(diǎn)非常重要。這意味著如果您購(gòu)買(mǎi)了以太網(wǎng)設(shè)備，比如集線器和交換機(jī)，這些設(shè)計(jì)者的原意是為辦公環(huán)境而設(shè)計(jì)使用的，但是您卻把它們使用在高溫的和灰塵眾多的工廠中，設(shè)備可能完全部能工作，或者只能工作很短一段時(shí)間。 事實(shí)上，全新的工業(yè)已經(jīng)開(kāi)始提供為專(zhuān)門(mén)工作在極端環(huán)境下設(shè)計(jì)和測(cè)試的以太網(wǎng)產(chǎn)品。正如上面暗示的，典型的工廠環(huán)境就是高溫，潮濕，灰塵很多，并且油性很大的。但是故事并沒(méi)有在這兒中止，您還可以在室外發(fā)現(xiàn)一些極端的情況。有些環(huán)境有在一年的 時(shí)間里很大的溫差變化： -30°C 到 +50°C。工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備的特性通常有下列事實(shí)為證： 產(chǎn)品被設(shè)計(jì)成能夠經(jīng)受的住極端的溫度變化（通常從 -20°C到 70°C）。外型被設(shè)計(jì)成能夠抵擋住外界的干擾，且經(jīng)常能夠把產(chǎn)品非常敏感的內(nèi)部的高溫直接進(jìn)行自然冷卻 產(chǎn)品使用了高質(zhì)量和高可靠性的元器件（如，工業(yè)設(shè)備不使用風(fēng)扇和電解電容，這些都用在商用的交換機(jī)上，因?yàn)檫@些元器件由于他們的使用壽命不長(zhǎng)帶來(lái)了不可靠性)。 誰(shuí)會(huì)需要工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)呢？ 許多重要的應(yīng)用都受益于工業(yè)以太網(wǎng)的使用?，F(xiàn)列舉一部分如下： 將工廠的設(shè)備層和辦公室的計(jì)算機(jī)隔離開(kāi) 想起以太網(wǎng)的一個(gè)方法就是把它當(dāng)作“巨大的均衡器“。有一個(gè)非常真實(shí)的感覺(jué)， 那就是所有的設(shè)備（包括PC，服務(wù)器，PLC，傳感器，執(zhí)行器等）都以相同的等級(jí)連接到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。這是因?yàn)?存在一個(gè)嚴(yán)格的控制每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量， 透過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行發(fā)送和接收都是先到先服務(wù)。把工廠的計(jì)算機(jī)和設(shè)備連接到同一個(gè)LAN讓工程師可以通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行存取操作，并且允許工廠和商務(wù)辦公室可以通過(guò)e-mai保持聯(lián)絡(luò)。同樣它也給了商務(wù)辦公室和MIS人員對(duì)工廠層的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視的選擇。所有的內(nèi)部連接的缺點(diǎn)就是在控制設(shè)備間的數(shù)據(jù)的進(jìn)出非產(chǎn)容易的 陷入到e-mail，ICQ的運(yùn)行和對(duì)不同網(wǎng)頁(yè)的存取中。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可以有效的將重要的控制設(shè)備隔離在他們自己的沖突域中。工程師們可以 從沖突域的外部來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行存取，但是正如我們?cè)陂_(kāi)始就指出的， 數(shù)據(jù)在沖突域中將更自由。 隔離的獨(dú)立設(shè)備 這種類(lèi)型的應(yīng)用與上面所描述的相類(lèi)似，但是在這個(gè)例子中，只有一個(gè)設(shè)備連接到以太網(wǎng)交換機(jī)的端口上，將設(shè)備隔離在自己的沖突域中。舉一個(gè)具體的例子，控制工程師可以用一個(gè)多端口的以太網(wǎng)交換機(jī)來(lái)連接PLC和傳感器/執(zhí)行器。 除了偶爾的診斷和重新配置信息從另外的一部分網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)，交換機(jī)幾乎將所有的控制活動(dòng)與其他的網(wǎng)絡(luò)隔離開(kāi)了。 為兩個(gè)分開(kāi)的沖突域提供了一個(gè)高速的連接 一些以太網(wǎng)交換機(jī)整合了10Mbps的以太網(wǎng)端口和更高速度的100Mbps端口，這個(gè)更高速度的端口用來(lái)級(jí)聯(lián)另外一個(gè)交換機(jī)。2個(gè)此類(lèi)型的交換機(jī)可以組合在一起為兩個(gè)獨(dú)立的沖突域提供更高速的連接。因?yàn)樵趦蓚€(gè)交換機(jī)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀花費(fèi)1/10的時(shí)間在線路上， 數(shù)據(jù)重新發(fā)送的機(jī)會(huì)很小。這些內(nèi)部的交換機(jī)是全雙工的連接，所以?xún)膳_(tái)交換機(jī)之間的碰撞概率幾乎為零。 為相互分隔的沖突域提供光纖連接 一些以太網(wǎng)交換機(jī)有兩個(gè)端口，一個(gè)是UTP以太網(wǎng)端口，使用電信號(hào)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)； 一個(gè)是光纖端口，使用光脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。光脈沖可以避免受到閃電和一些生產(chǎn)設(shè)備的高壓的干擾，并且總的來(lái)說(shuō)可以傳送更遠(yuǎn)的距離。這就允許使用此類(lèi)型的以太網(wǎng)交換機(jī)來(lái)將一部分工廠層的LAN和另外一部分的連接起來(lái)，因?yàn)楣饫w可以穿越遭受電磁干擾的廠區(qū)，還可以連接數(shù)公里之遠(yuǎn)的建筑物。 連接冷凍設(shè)備或者冷卻設(shè)備 無(wú)論工廠層的環(huán)境有沒(méi)有變熱的趨勢(shì)，仍然可以發(fā)現(xiàn)在寒冷的環(huán)境中也有著重要的工業(yè)設(shè)備，比如大型的冷凍機(jī)，肉類(lèi)存儲(chǔ)柜，冷卻機(jī)，還有遠(yuǎn)在南北球的室外環(huán)境。以太網(wǎng)設(shè)備使用在這類(lèi)極端寒冷的氣溫下（試想一下溫度低到-40°C，這和華氏負(fù)40度相似 ），必須進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)，使其在這種相反的環(huán)境下可靠地工作。 與交通控制設(shè)備互連 一個(gè)非常重要的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用就是與交通控制設(shè)備進(jìn)行互連，包含將監(jiān)視用的照相機(jī)，自動(dòng)流量計(jì)數(shù)器和紅綠燈的控制連接到以太網(wǎng)。問(wèn)題在于大部分的交通信號(hào)燈所在的位置都沒(méi)有內(nèi)嵌的以太網(wǎng)端口。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是在每個(gè)交通信號(hào)燈的位置安放一臺(tái)良好設(shè)計(jì)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。如果交換機(jī)有光纖接口，可以用來(lái)級(jí)聯(lián)交換機(jī)，這樣就可以用光纖將他們連接起來(lái)，這樣就可以方便的建立起一個(gè)室外的局域網(wǎng)，最終與中心控制臺(tái)進(jìn)行連接。 概述 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在建立以太局域網(wǎng)起了一個(gè)非常重要的角色，其可以工作在工廠和室外的環(huán)境。這種類(lèi)型環(huán)境下，以太網(wǎng)交換機(jī)的主要應(yīng)用是：1）將重要的控制設(shè)備隔離在自己的碰撞域；2）使用光纖穿過(guò)廠區(qū)，避免電磁干擾；3）延伸工廠或者公司的局域網(wǎng)到其他的建筑物。重要的是記住工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備比商用的設(shè)備更可靠，因?yàn)樾枰跇O端的環(huán)境下利用它來(lái)解決問(wèn)題。當(dāng)在工業(yè)環(huán)境下使用以太網(wǎng)交換機(jī)，需要考慮到以下幾個(gè)問(wèn)題： 較高的溫度等級(jí) 能經(jīng)受較高的振動(dòng)和沖擊 工業(yè)級(jí)包裝 帶冗余的工業(yè)電源輸入 危險(xiǎn)場(chǎng)所的準(zhǔn)入許可 價(jià)格比較便宜的商用以太網(wǎng)交換機(jī)在設(shè)計(jì)的時(shí)候基本沒(méi)有考慮到這些情況