工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE802.3(Ethernet)的強(qiáng)大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。利用工業(yè)以太網(wǎng)，SIMATICNET提供了一個(gè)無縫集成到新的多媒體世界的途徑。繼10M波特率以太網(wǎng)成功運(yùn)行之后，具有交換功能，全雙工和自適應(yīng)的100M波特率快速以太網(wǎng)(FastEthernet，符合的標(biāo)準(zhǔn))也已成功運(yùn)行多年。工業(yè)以太網(wǎng)是電力通信和電網(wǎng)信息化不可或缺的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，而工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在其中更是扮演了重要的角色，現(xiàn)在讓大家了解一下工業(yè)以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和專業(yè)術(shù)語。
一、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
拓?fù)涫蔷W(wǎng)絡(luò)中電纜的布置。眾所周知，EIA-485或CAN采用總線型拓?fù)洹５诠I(yè)以太網(wǎng)中，由于普遍使用集線器或交換機(jī)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型或分散星型。
二、接線
工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)使用的電纜有屏蔽雙絞線(STP)、非屏蔽雙絞線(UTP)、多模或單模光纜。10Mbps的速率對(duì)雙絞線沒有過高的要求，而在100Mbps速率下，推薦使用五類或超五類線。
光纖鏈接時(shí)需要一對(duì)，常用的多模光纖波長為62.5/125μm或50/125μm。與多模光纖的內(nèi)芯相比，單模光纖的內(nèi)芯很細(xì)，只有10μm左右。通常，10Mbps使用多模光纖，100Mbps下，單模、多模光纖都適用。
三、接頭和連接
雙絞線接頭中RJ-45較常見，共兩對(duì)線，一對(duì)用于發(fā)送，另一對(duì)用于接收。在媒介相關(guān)接口(MDI)的定義中，這四個(gè)信號(hào)分別標(biāo)識(shí)為RD+，RD-，TD+，TD-。
一條通信鏈路由DTE(數(shù)據(jù)終端設(shè)備，如工作站)和DCE(數(shù)據(jù)通訊設(shè)備，如中繼器或交換機(jī))組成。集線器端口標(biāo)識(shí)為MDI-X端口表明DTE和DCE可以使用直通電纜相連。假如是兩個(gè)DTE或兩個(gè)DCE相連，可以采用電纜交叉的方法或直接利用集線器提供的上連端口(電纜不要交叉)。
光纖接頭有兩種，ST接頭用于10Mbps或100Mbps;SC接頭專用于100Mbps。單模纖通常使用SC接頭。DTE與DCE之間的連接只需依照端口的TX、RX標(biāo)識(shí)即可。
四、工業(yè)以太網(wǎng)與普通商用以太網(wǎng)產(chǎn)品
什么是工業(yè)以太網(wǎng)?技術(shù)上，它與IEEE802.3兼容，但設(shè)計(jì)和包裝兼顧工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的要求。工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)計(jì)者希望采用市場上可以找到的以太網(wǎng)芯片和媒介，兼顧考慮工業(yè)現(xiàn)場的特殊要求。首先考慮的是高溫、潮濕、震動(dòng)。第二看是否能方便地安裝在工業(yè)現(xiàn)場控制柜內(nèi)。第三是電源要求。許多控制柜內(nèi)提供的電源都是低壓交流或直流。墻裝式電源裝置有時(shí)不能適應(yīng)。電磁兼容性(EMC)的要求隨工業(yè)環(huán)境對(duì)EMI(工業(yè)抗干擾)和ESD(工業(yè)抗震)要求的不同而變化。現(xiàn)場的安全標(biāo)準(zhǔn)與辦公室的完全不同。有時(shí)需要的是惡劣環(huán)境的額定值。工廠里采用的可能是工業(yè)控制柜標(biāo)準(zhǔn)而樓宇系統(tǒng)采用的往往是煙霧標(biāo)準(zhǔn)。顯然低價(jià)的商用以太網(wǎng)集線器和交換機(jī)無法達(dá)到這些要求。
五、速度和距離
討論共享型以太網(wǎng)的距離，不能忽略碰撞域(CollisionDomain)的概念。
共享型以太網(wǎng)或半雙工以太網(wǎng)的媒體訪問是由載波偵聽多路訪問/碰撞檢測(cè)(CSMA/CD)確定的。在半雙工的通訊方式下，發(fā)送和接收不能同時(shí)進(jìn)行，否則數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生碰撞。站點(diǎn)發(fā)送前，首先要看是否有空閑的信道。發(fā)送時(shí)，站點(diǎn)還會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)收聽，確保在這一時(shí)間內(nèi)沒有其它站點(diǎn)在進(jìn)行同步傳送，最終本站發(fā)送成功。反之，發(fā)生碰撞，源站點(diǎn)發(fā)送阻塞信號(hào)加強(qiáng)碰撞。競爭站點(diǎn)延遲后(延遲時(shí)間由算法確定，是隨機(jī)的)重試。在這種機(jī)制下CONTROLENGINEERINGChina版權(quán)所有，所有站點(diǎn)和所有集線器都必須在同一碰撞域內(nèi)。
對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)來說，10Mbps和100Mbps是最常用的。在10Mbps，全部采用雙絞線的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，與距離有關(guān)的概念有兩個(gè)，即網(wǎng)段(Segment)和網(wǎng)絡(luò)范圍(NetworkDiameter)。前者指連接兩個(gè)設(shè)備(集線器、交換機(jī)或主機(jī))的距離，后者指網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)最遠(yuǎn)端設(shè)備之間的距離。不管是10Mbps或100Mbps的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)段的最遠(yuǎn)距離不能超過100米。考慮網(wǎng)絡(luò)延伸，最有用的規(guī)則就是5-4-3規(guī)則(僅僅針對(duì)10Mbps中繼器)。規(guī)則的內(nèi)容如下：一個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多有五個(gè)網(wǎng)段，四個(gè)中繼器，不多于三個(gè)的混合網(wǎng)段。混合網(wǎng)段指的是同軸總線網(wǎng)段(已淘汰)。
由于雙絞線網(wǎng)段的最遠(yuǎn)距離是100米，最大網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)范圍)就是500米。光纖網(wǎng)段的最遠(yuǎn)距離可達(dá)2公里，但I(xiàn)EEE802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，使用光纖，級(jí)聯(lián)數(shù)最多不能超過3個(gè)，且網(wǎng)絡(luò)末端需使用雙絞線，中間的兩個(gè)為光纖網(wǎng)段并保證每個(gè)網(wǎng)段不超過1公里。這樣，整個(gè)光纖網(wǎng)段長度限制在2公里。5-4-3規(guī)則對(duì)100Mbps是不適用的。建議使用100Mbps交換機(jī)。
六、集線器和交換機(jī)
中繼型集線器(集線器)集線器是構(gòu)成以太網(wǎng)拓?fù)涞幕驹O(shè)備，為多端口設(shè)備，有四、八、十二口等，可級(jí)聯(lián)構(gòu)成分散星型拓?fù)洹＜€器均符合IEEE802.3中繼單元要求。這些要求包括前導(dǎo)碼生成、對(duì)稱和幅度補(bǔ)償。中繼器必須對(duì)信號(hào)再定時(shí)，這樣收發(fā)器和電纜引起的信號(hào)抖動(dòng)不會(huì)在多網(wǎng)段傳播時(shí)累積。這些設(shè)備能偵測(cè)出不完整的數(shù)據(jù)包和沖突，并產(chǎn)生一個(gè)阻塞信號(hào)相作用。它們還會(huì)自動(dòng)隔離有問題的端口以維持網(wǎng)絡(luò)正常工作。
接口轉(zhuǎn)接器另一系列產(chǎn)品是接口轉(zhuǎn)接器，有時(shí)稱為收發(fā)器。它們將一種媒介轉(zhuǎn)為另一種媒介。最重要的轉(zhuǎn)換是雙絞線至光纖的轉(zhuǎn)換。由于很多集線器沒有光纖端口，接口轉(zhuǎn)接器就是用來支持網(wǎng)絡(luò)中光纖的應(yīng)用的。這些設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中是透明。端口不存儲(chǔ)幀也不檢測(cè)碰撞，只是將一種媒介轉(zhuǎn)為另一端兼容的信號(hào)。
交換型集線器(交換機(jī))交換型集線器可以取代中繼型集線器并改善網(wǎng)絡(luò)的性能。與物理層設(shè)備-中繼型集線器不同，交換型集線器實(shí)際上是連接兩個(gè)數(shù)據(jù)鏈路的網(wǎng)橋，也就是說碰撞域在每個(gè)交換機(jī)端口進(jìn)行了終結(jié)。所以，增加了交換機(jī)就擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)地理上的范圍，級(jí)聯(lián)交換機(jī)可以大規(guī)模地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展交換機(jī)比中繼型集線器復(fù)雜。雙絞線端口自動(dòng)與附屬端口進(jìn)行速率協(xié)商(10Mbps還是100Mbps)。流量控制功能也通過協(xié)商進(jìn)行。全雙工網(wǎng)段采用PAUSE方案，半雙工網(wǎng)段通常采用backpressure方案。交換機(jī)讀取一個(gè)完整的幀并察看其源地址后就能查出所連以太網(wǎng)設(shè)備的端口位置。交換機(jī)隨即產(chǎn)生一張端口地址表格并維護(hù)表的內(nèi)容。從這時(shí)起，網(wǎng)絡(luò)通信僅限于與本次傳送有關(guān)的端口。由于同步的傳送無需任何操作即可在這些端口上實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量提高了。表的內(nèi)容會(huì)根據(jù)連接信息的變化自動(dòng)刷新。
如果某個(gè)端口收到的信息需廣播發(fā)送、群組發(fā)送或發(fā)送地址不詳，交換機(jī)會(huì)自動(dòng)把信息發(fā)至所有端口。與中繼型集線器不同，這兒有多個(gè)碰撞域存在，每個(gè)碰撞域必須遵守上述的規(guī)則。
中繼集線器可以與交換機(jī)端口相連。如果網(wǎng)絡(luò)中都是交換機(jī)CONTROLENGINEERINGChina版權(quán)所有，則雙絞線網(wǎng)段保持100米，但級(jí)聯(lián)沒有限制。在使用光纖前必須先注明是半、全雙工。中繼型集線器與交換型集線器的對(duì)比顯然，交換機(jī)的性能比集線器提高一些，但集線器的優(yōu)點(diǎn)是，容易理解，在任何一個(gè)端口都可以通過網(wǎng)絡(luò)分析儀觀測(cè)數(shù)據(jù)通訊。交換機(jī)則必須在某個(gè)端口實(shí)現(xiàn)廣播發(fā)送方能測(cè)量。作為網(wǎng)橋，交換機(jī)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)整個(gè)數(shù)據(jù)幀并引起了數(shù)據(jù)的延遲。集線器接收網(wǎng)絡(luò)信號(hào)沒有數(shù)據(jù)延遲。交換機(jī)級(jí)聯(lián)還增加延時(shí)，因此，集線器和交換機(jī)在工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)中各有各的應(yīng)用場合。
七、半雙工、全雙工
半雙工意味著同一媒體的發(fā)送和接收是異步進(jìn)行的。全雙工則相反，有單獨(dú)的發(fā)送和接收通路。全雙工鏈路是擴(kuò)展快速以太網(wǎng)(100Mbps)的關(guān)鍵。全雙工的鏈接網(wǎng)段不能超過兩個(gè)設(shè)備，可以是網(wǎng)卡或交換機(jī)端口。注意：不是中繼型集線器端口，集線器沒有全雙工模式。這是因?yàn)榧€器是碰撞域的一部分CONTROLENGINEERINGChina版權(quán)所有，它會(huì)加強(qiáng)其它端口接收的碰撞。只有兩塊網(wǎng)卡時(shí)可以實(shí)施全雙工通訊，多于兩塊網(wǎng)卡時(shí)的全雙工方式，必須考慮交換機(jī)。
10base-T、10base-FL有單獨(dú)的發(fā)送和接收通路，根據(jù)網(wǎng)卡或交換機(jī)端口的復(fù)雜性，可以執(zhí)行全雙工。如果這些接口配置在半雙工方式下，接收、發(fā)送的同步偵測(cè)會(huì)觸發(fā)碰撞的偵測(cè)。同樣的接口設(shè)置成全雙工，由于全雙工并不遵從共享型CSMA/CD規(guī)則，碰撞檢測(cè)會(huì)被禁止。
全雙工鏈接的配置要正確。當(dāng)站點(diǎn)配置在全雙工方式下，站點(diǎn)或交換型集線器的端口以忽略CSMA/CD協(xié)議的方式發(fā)送幀。如果另一端設(shè)置在半雙工方式下，它會(huì)偵測(cè)出碰撞并引發(fā)其它問題出現(xiàn)，如CRC出錯(cuò)，網(wǎng)絡(luò)的速度下降，快速以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)消失。
如前所述，由于碰撞的原因，100Mbps下的網(wǎng)絡(luò)范圍有所縮小。對(duì)于雙絞線網(wǎng)段和交換端口來說，網(wǎng)段的最長距離是100米(在碰撞域范圍內(nèi))。問題是在光纖端口上，對(duì)于多模光纖來說，網(wǎng)段的長度是2公里;對(duì)于單模光纖來說，是15公里。半雙工方式下，受碰撞域限制，網(wǎng)段距離為412米。因此，只有在全雙工模式下(CSMA/CA被忽略)，光纖網(wǎng)段的延伸才能達(dá)到極限。快速以太網(wǎng)方式下，推薦使用交換機(jī)技術(shù)。快速以太網(wǎng)下的光纖端口，建議使用全雙工。
八、自動(dòng)協(xié)商
隨著快速以太網(wǎng)使用廣泛、與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相似的接線規(guī)則，建議自動(dòng)配置快速以太網(wǎng),使得傳統(tǒng)以太網(wǎng)端口能與其它快速以太網(wǎng)端口工作。該配置協(xié)議基于NationalSemiconductor’sNWay標(biāo)準(zhǔn)。雙絞線鏈路自動(dòng)進(jìn)行速度匹配，以利于數(shù)據(jù)通訊的進(jìn)行。該方案適用于雙絞線鏈接。光纖的情況有所不同。盡管光纖在以太網(wǎng)的發(fā)展歷史中有非常重要的地位。但兩個(gè)光纖設(shè)備的速度無法進(jìn)行自動(dòng)協(xié)商，這是因?yàn)?0base-FL設(shè)備工作在850nm，100base-FX工作在1300nm。兩者無法互操作。但是，對(duì)于自動(dòng)協(xié)商協(xié)議而言，兩個(gè)光纖設(shè)備間的自協(xié)商是可行的(如果通訊沒有問題的話)。意識(shí)到這一點(diǎn)，新推出的100base-SX標(biāo)準(zhǔn)可以使850nm光纖在10Mbps或100Mbps下工作。100Mbps下網(wǎng)段的距離為300米。因此，安裝時(shí)請(qǐng)注意。光纖的速率通常是固定的，不實(shí)行協(xié)商。自動(dòng)協(xié)商協(xié)議在雙絞線鏈路是成功的。自動(dòng)協(xié)商的優(yōu)點(diǎn)在于它使用戶無需進(jìn)行手工設(shè)置，完全由設(shè)備自身決定各自的技術(shù)水準(zhǔn)。級(jí)別由高到低如下：
1000base-T全雙工最高
1000base-T
100base-T2全雙工
100base-TX全雙工
100base-T2
100base-T4
100base-TX
10base-T全雙工
10base-T最低
其中最低的級(jí)別是10base-T(半雙工、共享以太網(wǎng))，最高為1000base-T全雙工。這是一個(gè)完整的優(yōu)先級(jí)別方案，但不表示某塊網(wǎng)卡可以處理所有這些技術(shù)。實(shí)際上，有一些技術(shù)在商業(yè)上并沒有實(shí)施，但它們都與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)一致。每個(gè)端口檢查各自的技術(shù)性能并確定最終的速率(較低的速率)。例如：如果網(wǎng)卡支持10base-T而交換機(jī)端口能力在10base-T或10base-TX，那么最終選擇的是10base-T。如果一塊網(wǎng)卡是10base-T，而另一塊100base-TX，兩者因?yàn)椴患嫒荻鵁o法通訊。
九、傳輸協(xié)議
最初設(shè)計(jì)并沒有涉及一個(gè)可靠的端到端的信息傳送。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)(兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互相通訊)的義務(wù)在第三層-網(wǎng)絡(luò)層。傳輸和互聯(lián)成為協(xié)議棧的一部分，TCP/IP和SPX/IPX是常用的兩個(gè)協(xié)議。這兩個(gè)協(xié)議并不能互相操作，所以以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)須使用兼容的協(xié)議。由于TCP/IP在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，它成為主要協(xié)議，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)也如此。實(shí)際上，TCP/IP是一組RFC定義的協(xié)議(requestforcomments)，有很多年了。除了以太網(wǎng)，TCP/IP還和別的數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)工作，它位于物理層/數(shù)據(jù)鏈路層之上。傳輸層上，有兩個(gè)重要的協(xié)議：TCP和UDP。前者對(duì)接收的信息進(jìn)行確認(rèn)。兩者都很有用。在協(xié)議棧的上層，有多個(gè)有用的應(yīng)用層協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)使用。對(duì)于用戶來說，編址是個(gè)重要的話題。IP協(xié)議負(fù)責(zé)可能位于不同網(wǎng)絡(luò)中站點(diǎn)間數(shù)據(jù)包的路由。每個(gè)站點(diǎn)有唯一的32位地址(分別表示網(wǎng)絡(luò)地址、主機(jī)地址)。地址以點(diǎn)分十進(jìn)制四字節(jié)表示。.5是個(gè)有效的地址但無法確定何為主機(jī)、何為網(wǎng)絡(luò)。地址分為五類，地址分為A~E類。通過觀察第一字節(jié)即可進(jìn)行分類。
IP的分配并不簡單，通常由網(wǎng)管分配。一旦分配好，就必須應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)站上。IP地址分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分配兩種。動(dòng)態(tài)分配由服務(wù)器進(jìn)行。靜態(tài)分配由配置進(jìn)行。下列地址為私人地址，在路由器上不能分配。因此，它們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)上沒有應(yīng)用。
10.0.0.0~
.0.0~
.0.0~.
IP地址和以太網(wǎng)MAC地址是不同的，不能混淆。MAC地址由設(shè)備生產(chǎn)商分配，所以是全球唯一的。IP地址是安裝時(shí)分配并根據(jù)需要進(jìn)行重分配。
十、應(yīng)用層協(xié)議
確定所用的接頭、電纜，采用集線器還是交換機(jī)，分配了IP，就可以在站點(diǎn)間通訊了。現(xiàn)在需要考慮OSI高層的兼容性。這兒推薦的工業(yè)自動(dòng)化協(xié)議有Ethernet/IP、iDA、PROFInet和Modbus/TCP。這還不包括傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用-FTP、SNMP、SMTP和TELNET。用戶手中的設(shè)備可能并不支持這些協(xié)議，所以需要理解自身系統(tǒng)的兼容性。
