【文章內(nèi)容簡介】 理論上，以太網(wǎng)不能如此連接，因為廣播數(shù)據(jù)包會沿環(huán)反復傳播引起傳輸負荷驟增導致阻塞。解決的方法是在以太網(wǎng)交換機上配置生成樹協(xié)議（）或快速生成樹協(xié)議（）。安裝了該協(xié)議后，環(huán)上的一個網(wǎng)段會自動從邏輯上阻塞變成一個備用的網(wǎng)段。如果某一個運行的網(wǎng)段出現(xiàn)故障，則阻塞的備用網(wǎng)段將會運行起來，使網(wǎng)絡繼續(xù)正常運轉(zhuǎn)。圖1：單環(huán)冗余提供設備冗余的以太網(wǎng)雙環(huán)拓撲 單環(huán)拓撲只能提供傳輸媒體的冗余。雙環(huán)拓撲可以建立一個具有冗余的網(wǎng)絡設備的完全的冗余系統(tǒng)。例如，一個具有以太網(wǎng)冗余接口的工業(yè)控制設備可以分別連接到兩個以太網(wǎng)環(huán)上（圖2），實現(xiàn)了以太網(wǎng)接口、交換機和介質(zhì)的完全冗余。圖2：雙環(huán)冗余美國卓越通訊的工業(yè)冗余環(huán)網(wǎng)交換機 美國卓越通訊TSC Carat50系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機是專為工業(yè)類客戶設計的支持冗余環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的通信設備，充分考慮到工業(yè)控制對通訊系統(tǒng)可靠性的要求，采用TSC獨有的環(huán)網(wǎng)協(xié)議，其鏈路故障恢復時間達到了300ms 以內(nèi)，完全采用封閉金屬褶皺散熱結(jié)構(gòu)，適用于高溫、灰塵、強電磁等惡劣環(huán)境。特殊型號機型更能勝任水下運行。該機型環(huán)網(wǎng)設置已經(jīng)高度智能化，無須現(xiàn)場PC設置，智能確認開關(guān)的使用既使得網(wǎng)絡工程師的現(xiàn)場操作簡單，又確保通訊系統(tǒng)安全可靠。工廠、電站、軍方等不同客戶可根據(jù)各自需要選擇該系列產(chǎn)品。高性能：Carat50工業(yè)以太網(wǎng)交換機可提供全線速無阻塞100M轉(zhuǎn)發(fā)，構(gòu)筑“SupremeRing”環(huán)形網(wǎng)絡。具有6個10/100M雙絞線端口(RJ45)用于連接終端設備或網(wǎng)段，2個主干端口(光纖)用于構(gòu)成主干“SupremeRing”連接，可為工業(yè)現(xiàn)場控制設備提供可冗余的連接，任何一段主干通訊通道的故障都將在300ms內(nèi)被察覺出來，并將啟動冗余鏈路傳送數(shù)據(jù)。讓您的自動化系統(tǒng)保持正常工作。Carat50工業(yè)以太網(wǎng)交換機采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，最大學習8000個地址，其每個端口均可連接多個獨立的物理網(wǎng)段。，減少了與其他支持以太網(wǎng)設備與 Carat相連接時候出現(xiàn)的兼容性問題。高可靠：工業(yè)化設計的可冗余雙DC電源(18V36V)輸入，有效保障與減少故障還原時間。電源故障時，提供繼電器報警輸出，便于技術(shù)人員對故障作出快速反應。Carat50工業(yè)以太網(wǎng)交換機高強度金屬褶皺結(jié)構(gòu)外殼，能夠屏蔽電磁干擾，并且抗振動耐沖擊，同時又是散熱器，避免了因使用風扇引起的灰塵，減少了因風扇停轉(zhuǎn)而引起的故障點。IP30級別防護等級，10℃～+70℃寬工作溫度，確保產(chǎn)品在嚴苛的工業(yè)現(xiàn)場工作良好。 高易用：Carat50系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機可以導軌式、壁掛式、任意平面安裝。通過前面板按鍵簡單設置即可構(gòu)建堅固可靠的“SupremeRing”環(huán)形網(wǎng)絡。圖3：TSC Carat 5008FC2工業(yè)以太網(wǎng)交換機工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的新進展（二）實時以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是通信實時性 以太網(wǎng)在設計之初是用于商業(yè)領域，要將它應用于工業(yè)自動化領域，還有一些需要解決的技術(shù)問題： (1)需要解決它在工業(yè)環(huán)境中的適應性問題； (2)以太網(wǎng)不提供電源，因此需要額外的供電電纜； (3)以太網(wǎng)不是本質(zhì)安全系統(tǒng)； (4)以太網(wǎng)介質(zhì)訪問方式采用CSMA/CD協(xié)議，不能滿足工業(yè)過程控制在實時性上的要求，甚至在通信繁忙時，還存在信息丟失的危險，確定性不高。 對于以太網(wǎng)不適應工業(yè)現(xiàn)場的問題，工業(yè)以太網(wǎng)可以通過多種途徑，如改善傳統(tǒng)的以太網(wǎng)電纜、采用網(wǎng)關(guān)，還有采用PCBASED方案和ONCHIP設備等方法來解決工業(yè)以太網(wǎng)對工業(yè)環(huán)境的適應問題。 以太網(wǎng)作為商用網(wǎng)絡的使用中，被認為是實時性不高、非確定性的網(wǎng)絡，這主要是由于它所采用的介質(zhì)訪問方式所決定的。CSMA/CD協(xié)議，即“帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問”。在工作過程中，如果有站點需要傳輸數(shù)據(jù)，首先偵聽電纜。如果鏈路正被其它的站點使用，該站點等待鏈路空閑再傳輸；如果鏈路空閑，則立即傳輸。如果有2個或多個站點同時在空閑的鏈路上開始傳輸數(shù)據(jù)，就發(fā)生沖突，于是所有的沖突站點停止傳送數(shù)據(jù)，運行二進制后退算法，等待一個隨機的時間，再重復上述過程。正是由于CSMA/CD的工作原理，造成數(shù)據(jù)傳輸有可能經(jīng)歷不可預見的延時，甚至長時間無法發(fā)送的情況。而且，以太網(wǎng)的整個傳輸體系沒有有效的措施及時發(fā)現(xiàn)某一節(jié)點故障而加以隔離，從而有可能使故障節(jié)點占用總線而導致其它節(jié)點傳輸失敗。 工業(yè)控制系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)的傳輸不僅速度快，而且要求響應快，即通信的實時性要好?？刂葡到y(tǒng)對時間特性的要求比一般的信息傳輸要更嚴格，因為這往往涉及到安全等問題，必須在任何時間都要及時響應，不允許有任何的不確定性。因此，工業(yè)以太網(wǎng)需要解決商用以太網(wǎng)存在的實時性不強的問題，以使工業(yè)以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時通信，滿足工業(yè)控制的要求。工業(yè)以太網(wǎng)通信實時性的解決方案 以太網(wǎng)技術(shù)在最近取得了很大的進步，其中交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應用大大地改善了以太網(wǎng)技術(shù)中由于CSMA/CD介質(zhì)訪問方式產(chǎn)生的不確定性問題，它與快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，使以太網(wǎng)的實時性得到了很大的改善。經(jīng)過精心設計的工業(yè)以太網(wǎng)響應時間可以小于4ms，可滿足大多數(shù)工業(yè)過程控制的要求。 工業(yè)以太網(wǎng)從通信技術(shù)的角度實現(xiàn)實時性的機制有： 1采用交換式集線器。傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用共享式集線器，由于共享式集線器的結(jié)構(gòu)和功能僅僅是一種物理層中繼器，因此連接到共享式集線器上的所有站點共享一個帶寬，遵循CSMA/CD協(xié)議進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。而交換式集線器可以認為是一個受控的多端口開關(guān)矩陣，各個端口之間的信息流是隔離的，只有在同一個端口上的信息流才會發(fā)生沖突，即每個端口是一個沖突域。這樣，不同端口可以形成多個數(shù)據(jù)通道，端口之間的數(shù)據(jù)輸入和輸出不再受CSMA/CD的約束，可以大大提高網(wǎng)絡上每個站點的帶寬，從而提高了交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡性能。 2使用全雙工（fullduplex）通信模式。即使是交換式以太網(wǎng)，由于一個端口是一個沖突域，在半雙工情況下仍不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。如果采用全雙工模式，同一條數(shù)據(jù)鏈路中兩個站點可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時接收數(shù)據(jù)，解決了這種情況下半雙工存在的需要等待的問題，理論上可以使傳輸速率提高一倍。 3采用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù)。虛擬局域網(wǎng)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的許多固有觀念，使網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更靈活、方便。實際上，VLAN就是一個廣播域，不受地理位置的限制，可以根據(jù)部門職能、對象組和應用等因素將不同地理位置的網(wǎng)絡用戶劃分為一個邏輯網(wǎng)段。局域網(wǎng)交換機的每一個端口只能標記一個VLAN，同一個VLAN 中的所有站點擁有一個廣播域，不同VLAN之間廣播信息是相互隔離的，這樣就避免了廣播風暴的產(chǎn)生。工業(yè)過程控制中控制層單元在數(shù)據(jù)傳輸實時性和安全性方面都要與普通單元區(qū)分開來，使用虛擬局域網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)的開放平臺上做邏輯分割，將不同的功能層、不同的部門區(qū)分開，從而達到提高網(wǎng)絡的整體安全性和簡化網(wǎng)絡管理的目的。通常虛擬局域網(wǎng)的劃分方式有3種：靜態(tài)端口分配、動態(tài)虛擬網(wǎng)和多虛擬網(wǎng)端口配置。靜態(tài)端口分配指的是網(wǎng)絡管理人員利用網(wǎng)管軟件或直接設備交換機的端口，使其直接從屬某個虛擬網(wǎng)，這些端口將保持這樣的從屬性，除非網(wǎng)管人員重新設置；動態(tài)虛擬網(wǎng)指的是支持動態(tài)虛擬網(wǎng)的端口可以借助智能管理軟件自動確定它們的從屬；多虛擬網(wǎng)端口配置支持一個用戶或一個端口同時訪問多個虛擬網(wǎng)，這樣可以將一臺控制層計算機配置成多個部門可以同時訪問、也可以同時訪問多個虛擬網(wǎng)的資源。 4引入質(zhì)量服務（QoS）。IP 是指IP的服務質(zhì)量（quality of service），亦即IP數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡時的性能，它的目的是向用戶提供端到端的服務質(zhì)量保證。它有一套度量指標，包括業(yè)務可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等。QoS網(wǎng)絡可以區(qū)分實時. 非實時數(shù)據(jù)，在工業(yè)以太網(wǎng)中采用QoS技術(shù)，可以識別來自控制層的擁有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，并對它們優(yōu)先處理，為工業(yè)控制數(shù)據(jù)的實時通信提供一種保障機制。另外，QoS網(wǎng)絡還可以制止對網(wǎng)絡的非法使用，譬如非法訪問控制層現(xiàn)場控制單元和監(jiān)控單元的終端等。 世界上有一些國際組織正在從事推動以太網(wǎng)進入控制領域的工作，如IEEE著手制訂現(xiàn)場總線和Ethernet通信的新標準。ODVA發(fā)布了一個為在工廠基層使用以太網(wǎng)服務的工業(yè)標準。AGE，Kuka及Phoenix Contact等公司在2000年3月成立了IDA（Interface for Distributed Automation）組織，致力于開發(fā)一種基于Ethernet TCP/IP的標準化的開放的通信接口。2000年8月Schneider Electric加入該組織后，IDA大大增強了它的影響力。 2001年11月，IDA組織公布了它的第一份技術(shù)規(guī)范，與上面介紹的從通信技術(shù)方面做的改進不同，IDA為以太網(wǎng)建立一個新的實時通信用戶層，采用一種新的通信協(xié)議———RTPS（realtime publish/subscribe）實現(xiàn)實時通信，RTPS的實現(xiàn)則由一個中間件來完成。以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術(shù)前言: 以太網(wǎng)及TCP/IP通信技術(shù)在IT行業(yè)獲得了很大的成功, 成為IT行業(yè)