工业以太网的结构和专业术语
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摘要: 　　工业以太网是电力通信和电网信息化不可或缺的网络平台，而工业以太网交换机在其中更是扮演了重要的角色，现在让大家了解一下工业以太网的结构和专业术语。　　　　一、拓扑结构　　　　拓扑是网络中电缆的布置。 ...
　　是通信和电网信息化不可或缺的网络平台，而工业以太网交换机在其中更是扮演了重要的角色，现在让大家了解一下工业以太网的结构和专业术语。　　　　一、拓扑结构　　　　拓扑是网络中电缆的布置。众所周知，EIA-485或CAN采用总线型拓扑。但在工业以太网中，由于普遍使用集线器或交换机，拓扑结构为星型或分散星型。　　　　二、接线　　　　工业以太网使用的电缆有屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）、多模或单模光缆。10Mbps的速率对双绞线没有过高的要求，而在100Mbps速率下，推荐使用五类或超五类线。　　　　光纤链接时需要一对，常用的多模光纤波长为62.5/125μm或50/125μm。与多模光纤的内芯相比，单模光纤的内芯很细，只有10μm左右。通常，10Mbps使用多模光纤，100Mbps下，单模、多模光纤都适用。　　　　三、接头和连接　　　　双绞线接头中RJ-45较常见，共两对线，一对用于发送，另一对用于接收。在媒介相关接口（MDI）的定义中，这四个信号分别标识为RD+，RD-，TD+，TD-。　　　　一条通信链路由DTE（数据终端设备，如工作站）和DCE（数据通讯设备，如中继器或交换机）组成。集线器端口标识为MDI-X端口表明DTE和DCE可以使用直通电缆相连。假如是两个DTE或两个DCE相连，可以采用电缆交叉的方法或直接利用集线器提供的上连端口（电缆不要交叉）。　　　　光纤接头有两种，ST接头用于10Mbps或100MSC接头专用于100Mbps。单模纤通常使用SC接头。DTE与DCE之间的连接只需依照端口的TX、RX标识即可。　　　　四、工业以太网与普通商用以太网产品　　　　什么是工业以太网?技术上，它与IEEE802.3兼容，但设计和包装兼顾工业和商业应用的要求。工业现场的设计者希望采用市场上可以找到的以太网芯片和媒介，兼顾考虑工业现场的特殊要求。首先考虑的是高温、潮湿、震动。第二看是否能方便地安装在工业现场控制柜内。第三是要求。许多控制柜内提供的电源都是低压交流或直流。墙装式电源装置有时不能适应。电磁兼容性（EMC）的要求随工业环境对EMI（工业抗干扰）和ESD（工业抗震）要求的不同而变化。现场的安全标准与办公室的完全不同。有时需要的是恶劣环境的额定值。工厂里采用的可能是工业控制柜标准而楼宇系统采用的往往是烟雾标准。显然低价的商用以太网集线器和交换机无法达到这些要求。　　　　五、速度和距离　　　　讨论共享型以太网的距离，不能忽略碰撞域（CollisionDomain）的概念。　　　　共享型以太网或半双工以太网的媒体访问是由载波侦听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）确定的。在半双工的通讯方式下，发送和接收不能同时进行，否则数据会发生碰撞。站点发送前，首先要看是否有空闲的信道。发送时，站点还会在一段时间内收听，确保在这一时间内没有其它站点在进行同步传送，最终本站发送成功。反之，发生碰撞，源站点发送阻塞信号加强碰撞。竞争站点延迟后（延迟时间由算法确定，是随机的）重试。在这种机制下，所有站点和所有集线器都必须在同一碰撞域内。　　　　对工业以太网来说，10Mbps和100Mbps是最常用的。在10Mbps，全部采用双绞线的以太网网络中，与距离有关的概念有两个，即网段（Segment）和网络范围（NetworkDiameter）。前者指连接两个设备（集线器、交换机或主机）的距离，后者指网络中两个最远端设备之间的距离。不管是10Mbps或100Mbps的网络，网段的最远距离不能超过100米。考虑网络延伸，最有用的规则就是5-4-3规则（仅仅针对10Mbps中继器）。规则的内容如下：一个网络最多有五个网段，四个中继器，不多于三个的混合网段。混合网段指的是同轴总线网段（已淘汰）。由于双绞线网段的最远距离是100米，最大网络（网络范围）就是500米。光纤网段的最远距离可达2公里，但IEEE802.3标准规定，使用光纤，级联数最多不能超过3个，且网络末端需使用双绞线，中间的两个为光纤网段并保证每个网段不超过1公里。这样，整个光纤网段长度限制在2公里。5-4-3规则对100Mbps是不适用的。建议使用100Mbps交换机。　　　　六、集线器和交换机　　　　中继型集线器（集线器）集线器是构成以太网拓扑的基本设备，为多端口设备，有四、八、十二口等，可级联构成分散星型拓扑。集线器均符合IEEE802.3中继单元要求。这些要求包括前导码生成、对称和幅度补偿。中继器必须对信号再定时，这样收发器和电缆引起的信号抖动不会在多网段传播时累积。这些设备能侦测出不完整的数据包和冲突，并产生一个阻塞信号相作用。它们还会自动隔离有问题的端口以维持网络正常工作。　　　　接口转接器另一系列产品是接口转接器，有时称为收发器。它们将一种媒介转为另一种媒介。最重要的转换是双绞线至光纤的转换。由于很多集线器没有光纤端口，接口转接器就是用来支持网络中光纤的应用的。这些设备在网络中是透明。端口不存储帧也不检测碰撞，只是将一种媒介转为另一端兼容的信号。　　　　交换型集线器（交换机）交换型集线器可以取代中继型集线器并改善网络的性能。与物理层设备-中继型集线器不同，交换型集线器实际上是连接两个数据链路的网桥，也就是说碰撞域在每个交换机端口进行了终结。所以，增加了交换机就扩展了网络地理上的范围，级联交换机可以大规模地实现网络扩展交换机比中继型集线器复杂。双绞线端口自动与附属端口进行速率协商（10Mbps还是100Mbps）。流量控制功能也通过协商进行。全双工网段采用PAUSE方案，半双工网段通常采用backpressure方案。交换机读取一个完整的帧并察看其源地址后就能查出所连以太网设备的端口位置。交换机随即产生一张端口地址表格并维护表的内容。从这时起，网络通信仅限于与本次传送有关的端口。由于同步的传送无需任何操作即可在这些端口上实现，网络的吞吐量提高了。表的内容会根据连接信息的变化自动刷新。　　　　如果某个端口收到的信息需广播发送、群组发送或发送地址不详，交换机会自动把信息发至所有端口。与中继型集线器不同，这儿有多个碰撞域存在，每个碰撞域必须遵守上述的规则。　　　　中继集线器可以与交换机端口相连。如果网络中都是交换机，则双绞线网段保持100米，但级联没有限制。www.diangon.com在使用光纤前必须先注明是半、全双工。中继型集线器与交换型集线器的对比显然，交换机的性能比集线器提高一些，但集线器的优点是，容易理解，在任何一个端口都可以通过网络分析仪观测数据通讯。交换机则必须在某个端口实现广播发送方能测量。作为网桥，交换机存储、转发整个数据帧并引起了数据的延迟。集线器接收网络信号没有数据延迟。交换机级联还增加延时，因此，集线器和交换机在工业以太网专题"&工业以太网中各有各的应用场合。　　　　七、半双工、全双工　　　　半双工意味着同一媒体的发送和接收是异步进行的。全双工则相反，有单独的发送和接收通路。全双工链路是扩展快速以太网（100Mbps）的关键。全双工的链接网段不能超过两个设备，可以是网卡或交换机端口。注意：不是中继型集线器端口，集线器没有全双工模式。这是因为集线器是碰撞域的一部分CONTROLENGINEERINGChina版权所有，它会加强其它端口接收的碰撞。只有两块网卡时可以实施全双工通讯，多于两块网卡时的全双工方式，必须考虑交换机。　　　　10BASE-T、10BASE-FL有单独的发送和接收通路，根据网卡或交换机端口的复杂性，可以执行全双工。如果这些接口配置在半双工方式下，接收、发送的同步侦测会触发碰撞的侦测。同样的接口设置成全双工，由于全双工并不遵从共享型CSMA/CD规则，碰撞检测会被禁止。　　　　全双工链接的配置要正确。当站点配置在全双工方式下，站点或交换型集线器的端口以忽略CSMA/CD协议的方式发送帧。如果另一端设置在半双工方式下，它会侦测出碰撞并引发其它问题出现，如CRC出错，网络的速度下降，快速以太网的优势消失。　　　　如前所述，由于碰撞的原因，100Mbps下的网络范围有所缩小。对于双绞线网段和交换端口来说，网段的最长距离是100米（在碰撞域范围内）。问题是在光纤端口上，对于多模光纤来说，网段的长度是2公里;对于单模光纤来说，是15公里。半双工方式下，受碰撞域限制，网段距离为412米。因此，只有在全双工模式下（CSMA/CA被忽略），光纤网段的延伸才能达到极限。快速以太网方式下，推荐使用交换机技术。快速以太网下的光纤端口，建议使用全双工。　　　　八、自动协商　　　　随着快速以太网使用广泛、与传统以太网相似的接线规则，IEEE802.3u建议自动配置快速以太网,使得传统以太网端口能与其它快速以太网端口工作。该配置协议基于NationalSemiconductor’sNWay标准。双绞线链路自动进行速度匹配，以利于数据通讯的进行。该方案适用于双绞线链接。光纤的情况有所不同。尽管光纤在以太网的发展历史中有非常重要的地位。（http://www.diangon.com版权所有）但两个光纤设备的速度无法进行自动协商，这是因为10BASE-FL设备工作在850nm，100BASE-FX工作在1300nm。两者无法互操作。但是，对于自动协商协议而言，两个光纤设备间的自协商是可行的（如果通讯没有问题的话）。意识到这一点，新推出的100BASE-SX标准可以使850nm光纤在10Mbps或100Mbps下工作。100Mbps下网段的距离为300米。因此，安装时请注意。光纤的速率通常是固定的，不实行协商。自动协商协议在双绞线链路是成功的。自动协商的优点在于它使用户无需进行手工设置，完全由设备自身决定各自的技术水准。级别由高到低如下：　　　　1000BASE-T全双工最高　　　　1000BASE-T　　　　100BASE-T2全双工　　　　100BASE-TX全双工　　　　100BASE-T2　　　　100BASE-T4　　　　100BASE-TX　　　　10BASE-T全双工　　　　10BASE-T最低　　　　其中最低的级别是10BASE-T（半双工、共享以太网），最高为1000BASE-T全双工。这是一个完整的优先级别方案，但不表示某块网卡可以处理所有这些技术。实际上，有一些技术在商业上并没有实施，但它们都与IEEE802.3标准一致。每个端口检查各自的技术性能并确定最终的速率（较低的速率）。例如：如果网卡支持10BASE-T而交换机端口能力在10BASE-T或10BASE-TX，那么最终选择的是10BASE-T。如果一块网卡是10BASE-T，而另一块100BASE-TX，两者因为不兼容而无法通讯。　　　　九、传输协议　　　　最初设计并没有涉及一个可靠的端到端的信息传送。网络互联（两个网络互相通讯）的义务在第三层-网络层。传输和互联成为协议栈的一部分，TCP/IP和SPX/IPX是常用的两个协议。这两个协议并不能互相操作，所以以太网节点须使用兼容的协议。由于TCP/IP在互联网的应用，它成为主要协议，在工业网络也如此。实际上，TCP/IP是一组RFC定义的协议（requestforcomments），有很多年了。除了以太网，TCP/IP还和别的数据链路技术工作，它位于物理层/数据链路层之上。传输层上，有两个重要的协议：TCP和UDP。前者对接收的信息进行确认。两者都很有用。在协议栈的上层，有多个有用的应用层协议在工业以太网专题"&工业以太网使用。对于用户来说，编址是个重要的话题。IP协议负责可能位于不同网络中站点间数据包的路由。每个站点有唯一的32位地址（分别表示网络地址、主机地址）。地址以点分十进制四字节表示。128.8.120.5是个有效的地址但无法确定何为主机、何为网络。地址分为五类，地址分为A~E类。通过观察第一字节即可进行分类。　　　　IP的分配并不简单，通常由网管分配。一旦分配好，就必须应用在网络中的各个站上。IP地址分静态和动态分配两种。动态分配由服务器进行。静态分配由配置进行。下列地址为私人地址，在路由器上不能分配。因此，它们在互联网上没有应用。　　　　10.0.0.0~10.255.255.255　　　　172.16.0.0~172.31.255.255　　　　192.168.0.0~192.168.255.255　　　　IP地址和以太网MAC地址是不同的，不能混淆。MAC地址由设备生产商分配，所以是全球唯一的。IP地址是安装时分配并根据需要进行重分配。　　　　十、应用层协议　　　　确定所用的接头、电缆，采用集线器还是交换机，分配了IP，就可以在站点间通讯了。现在需要考虑OSI高层的兼容性。这儿推荐的工业自动化协议有Ethernet/IP、iDA、PROFInet和Modbus/TCP。这还不包括传统互联网应用-FTP、SNMP、SMTP和TELNET。用户手中的设备可能并不支持这些协议，所以需要理解自身系统的兼容性。
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栏目导航：以太网协议正成为机器自动化应用的主流？以太网协议正成为机器自动化应用的主流？龙斌科技百家号尽管在机器自动化领域还有数十个工业现场总线协议在使用，但工业以太网正在以其优异的特性取代其中的很多协议。在20世纪后期的几十年中，当现场总线技术出现的时候，相对于点到点的接线方式，其优势受到了欢迎，而且从那时起它就在工业领域运行得很好。有许多种现场总线协议，不过这些都支持连接传感器、输入/输出（I/O）设备，以及其他用于自动化系统的现场设备。对于当今的工业网络，工业以太网和与之竞争的协议相比具有更吸引人的选项，因为其性能通常可以达到或超过现在的现场总线技术。安装以太网网络一般来说具有比其他协议费用更少、更容易配置的特点。在早些年的时候，有一些基本的开放通讯串口标准，例如RS232和RS422/485。包括这些在内的那些标准是诸如Modbus标准的基础，Modbus使用串口通讯标准作为基础进而成为工业领域协议的主导。以太网当时还不太成熟，而现场总线协议在许多应用领域提供足够的性能和可靠性。不过，现场总线技术通常很贵并且安装困难，而且不同的协议在硬件和软件方面都不兼容。许多最初实施的现场总线都是用来将远程I/O和可编程逻辑控制器（PLC）相连。许多通讯标准都是基于RS422/485标准的，不过在转移到独立基金会下和开放之前，绝大多数都是专属的协议。例如，DeviceNet、Modbus以及Profibus DP最初都是专有协议，分别属于罗克韦尔自动化、施耐德电气以及西门子公司。现在，每一个协议最终都变成由一家独立基金会管理的开放标准。今天，有好几种可选的现场总线可以用来将PLC和远程I/O，以及其他例如电机启动器、传感器和气动阀歧管等这样简单的设备连接起来。图1：在工业自动化系统中广泛使用的以太网帮助工业用户实现了各种各样的连接。图片来源：AutomationDirect1现有的现场总线协议选项根据市场研究机构IMS的研究结果，工业以太网在连接设备方面的增长已经超过了现场总线，并且在未来的15年内会成为更加主流的技术。有些现场总线网络已经有了非常庞大的客户群，那是因为在以太网成熟之前，它们是唯一的可选项。许多应用场合仍然受益于例如DeviceNet和Profibus DP这些高度确定性架构的现场总线网络。有了这些协议，使用安装在现场的I/O模块可以很方便地增加设备。另一个现场总线协议是IO-Link， 是一个通常通过一个转换器（请见图2）将现场设备和控制器捆绑在一起的点到点的网络。一些更新的设备可以提供过程数据、配置数据、识别信息、运行参数以及诊断信息。通过智能地诊断故障设备，及时地传输诊断信息，可以减少机器的停机时间，或者在某些情况下，通过提供即将出现的故障信息来避免设备停机。图2：IO-Link通常使用转换装置将现场设备和控制器连在一起，例如这种复合光纤。尽管IO-Link和低端的现场总线协议在连接简单设备与控制器方面工作良好，但当需要更复杂的连接时，以太网协议能够提供的供电、速度和灵活性方面的特点就成为了优势。工业以太网协议可以在许多要求高频度信息交换的新型机器自动化应用中作为现场总线通讯的替代方案，例如将一个视觉系统与PLC连接。随着硬件成本下降，对于那些简单的应用场合来说将更加划算，例如远程I/O和现场总线设备连接。2以太网技术的进化许多人仍然认为工业以太网是和现场总线不同的事物，不过如果想一下传统的现场总线技术在过去完成了哪些事情以及今天的以太网可以做什么，就会发现它们实际上是一回事。现场总线技术往往以具有高度确定性数据传输的特性自居，而通过提高速度和低水平时间同步手段，以太网可以做相同的事情。可以通过许多现场总线电缆为设备供电，同样可以通过以太网供电实现。在采用适合的工业以太网协议的应用场合中，很少有工作不正常的。早期的以太网网络，确定性不好而且时基误差很明显，这会导致处理速度减慢。使用那些例如简单的以太网集线器之类的不太智能的网络设备，导致数据冲突和重试经常发生。随着性价比高的工业以太网、非管理型交换机以及管理型交换机的出现，数据冲突已经变得不再是问题了。现在的以太网处理能力增强了，而且在绝大多数应用场合的数据传输延迟水平方面都显著地降低了。即便是使用标准的、现成的以太网芯片，由于使用了诸如在EtherNet/IP中的一级I/O信息传送的时序安排机制，对于大多数应用场合来说时基误差也都足够低了。对于那些对时序要求更加严格的应用来说，诸如EtherCAT的协议使用精确时间协议同步（IEEE1588）。图3：种类丰富的各种PLC和其他控制器都支持EtherNet/IP。大多数的以太网网络采用星型拓扑结构，其中以太网交换机或多个交换机构成其中心，而其他设备构成分支，许多包括交换机端口的设备都采用多个RJ-45接口，这是让菊链式连接更加经济有效。3工业通讯协议的选择与其他通讯技术不同，以太网允许在同一个网络上运行多个协议。一些主流的以太网协议包括EtherCAT，EtherNet/IP，Modbus TCP，Powerlink，Profinet以及SERCOS。自动化供应商通常会建议用户对适合应用情况的以太网协议的选择，不同的供应商倾向于不同的协议。大部分供应商倾向于一种特定的以太网协议，不过他们又经常不仅限于一种。使用供应商建议的协议一般更有好处，因为这样会获得最好的支持以及最大范围的可兼容的产品。如果一个应用场合要求使用两个不同的供应商，而且对于两种协议都有可选的控制器和现场设备，时序和速度的要求通常成为决定因素。应用场合会决定使用哪种现场总线技术。在许多应用中，使用多种协议可能更加合理，将每种协议应用在最合适的水平上。使用混合的协议和通讯架构将现场设备与控制器连接、将控制器与人机界面（HMI）连接、以及将HMI与更高级别的计算系统连接通常是正确的选择。要想实现这些，挑选支持多种协议的控制器很有必要。IO-Link或一种类似的协议经常被用来连接多个现场设备和控制器，因为相比使用硬接线将每一个现场设备和控制器输入点连接起来的方式，这会更加经济有效。有了IO-Link，EtherNet/IP网关的一个IO-Link连接到现场设备，再通过EtherNet/IP返回到控制器的情况很常见。网关的作用是作为多路转换器将多个IO-Link现场设备连接起来，并通过一条EtherNet/IP电缆使得控制器可以读取现场设备上的信息。尽管IO-Link支持的传感器与IO-Link主机设备之间的距离相对来说比较短，可是它可以连接各种网关和相关的协议，以此扩展其连接到控制器的能力。对于大型的生产制造和仓库传送带应用场合，控制器与现场设备之间的长距离可以通过使用位于EtherNet/IP网络中的网关来实现。使用很常见的管理型和非管理型交换机也有助于以太网连接的分布。对于控制器之间的连接，或者控制器与HMI之间的连接，一些以太网的变种是比较好的选项；硬件的支持会决定选择什么协议。以太网在高一些级别的连接方面占主导地位，对于控制器与远程I/O以及现场设备之间的这些低一些级别的连接方面，可以通过IO-Link、DeviceNet、Profibus DP、或以太网的一些变种来实现。随着以太网硬件的成本下降以及功能持续扩展，特别是具备了更高的速度和更强的确定性，工程师应该期待它会在工业通讯领域应用得越来越广泛。本文仅代表作者观点，不代表百度立场。系作者授权百家号发表，未经许可不得转载。龙斌科技百家号最近更新：简介:科技改变生活，每日一点最新、最全科技资讯作者最新文章相关文章(window.slotbydup=window.slotbydup || []).push({
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A. 必须使用直通UTP电缆 B. 必须使用交叉UTP电缆
C. 必须使用同一种速率的集线器
D. 可以使用不同速率的集线器
B. 必须使用交叉UTP电缆
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