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工業交換機發展簡介:

隨著以太網技術的迅速發展及其在商用領域的應用日漸廣泛,越來越多的電力綜合自動化系統也逐漸使用以太網並採用TCP/IP協議作為主要的通信標準。雖然應用於電力綜合自動化系統領域的以太網標準與商用以太網相同,但在電力綜合自動化系統領域,還需要網絡能在比較惡劣的工作環境下穩定地工作。








因此,用來連接電力綜合自動化系統的網絡產品需要經過特別設計,才能提供工業級的可靠性,以滿足長期連續運行的需求。另外,在工業控制領域,所需連接的設備分佈較分散,單個地方連接設備少,這就對支持光纖冗餘環路的8端口的光纖網絡交換機產品有了較大需求。為了實現光纖冗餘環路功能,需要採用高性能的微處理器實現網絡的管理和控制功能,並採用高性能的網絡交換芯片實現基本的10/100M/1000M以太網交換功能。

1、 工業以太網技術發展現狀

所謂工業以太網,一般來講是指技術上與商用以太網兼容,但在產品設計時,在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等方面能滿足工業現場的需要。

隨著互聯網技術的發展與普及推廣,Ethernet技術也得到了迅速的發展,Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術的發展,給解決Ethernet通信的非確定性問題帶來了希望,並使Ethernet全面應用於工業控制領域成為可能。目前工業以太網技術的發展體現在以下幾個方面:

1.1通信確定性與實時性

工業控制網絡不同於普通數據網絡的最大特點在於它必須滿足控制作用對實時性的要求,即信號傳輸要足夠的快和滿足信號的確定性。實時控制往往要求對某些變量的數據準確定時刷新。由於Ethernet採用CSMA/CD碰撞檢測方式,網絡負荷較大時,網絡傳輸的不確定性不能滿足工業控制的實時要求,因此傳統以太網技術難以滿足控制系統要求準確定時通信的實時性要求,一直被視為非確定性的網絡。






然而,快速以太網與交換式以太網技術的發展,給解決以太網的非確定性問題帶來了新的契機,使這一應用成為可能。首先,Ethernet的通信速率從10M、100M增大到如今的1000M、10G,在數據吞吐量相同的情況下,通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減小,即網絡碰撞機率大大下降。其次,採用星型網絡拓撲結構,交換機將網絡劃分為若干個網段。

Ethernet交換機由於具有數據存儲、轉發的功能,使各端口之間輸入和輸出的數據幀能夠得到緩衝,不再發生碰撞;同時交換機還可對網絡上傳輸的數據進行過濾,使每個網段內節點間數據的傳輸只限在本地網段內進行,而不需經過主幹網,也不佔用其它網段的帶寬,從而降低了所有網段和主幹網的網絡負荷。

再次,全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線(或兩根光纖)上分別同時接收和發送報文幀,也不會發生衝突。因此,採用交換式集線器和全雙工通信,可使網絡上的衝突域不復存在(全雙工通信),或碰撞機率大大降低(半雙工),因此使Ethernet通信確定性和實時性大大提高。






1.2穩定性與可靠性

Ethernet進入工業控制領域的另一個主要問題是,它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商用領域設計的,而未針對較惡劣的工業現場環境來設計(如冗餘直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等),故商用網絡產品不能應用在有較高可靠性要求的惡劣工業現場環境中。

隨著網絡技術的發展,上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業應用領域,在極端條件下網絡也能穩定工作的問題。

1.3工業以太網協議

由於工業自動化網絡控制系統不單單是一個完成數據傳輸的通信系統,而且還是一個藉助網絡完成控制功能的自控系統。它除了完成數據傳輸之外,往往還需要依靠所傳輸的數據和指令,執行某些控制計算與操作功能,由多個網絡節點協調完成自控任務。因而它需要在應用、用戶等高層協議與規範上滿足開放系統的要求,滿足互操作條件。

對應於ISO/OSI七層通信模型,以太網技術規範只映射為其中的物理層和數據鏈路層;而在其之上的網絡層和傳輸層協議,目前以TCP/IP協議為主(已成為以太網之上傳輸層和網絡層“事實上的”標準)。而對較高的層次如會話層、表示層、應用層等沒有作技術規定。

目前商用計算機設備之間是通過FTP(文件傳送協議)、Telnet(遠程登錄協議)、SMTP(簡單郵件傳送協議)、HTTP(WWW協議)、SNMP(簡單網絡管理協議)等應用層協議進行信息透明訪問的,它們如今在互聯網上發揮了非常重要的作用。但這些協議所定義的數據結構等特性不適合應用於工業過程控制領域現場設備之間的實時通信。

為滿足工業現場控制系統的應用要求,必須在Ethernet+TCP/IP協議之上,建立完整的、有效的通信服務模型,制定有效的實時通信服務機制,協調好工業現場控制系統中實時和非實時信息的傳輸服務,形成為廣大工控生產廠商和用戶所接收的應用層、用戶層協議,進而形成開放的標準。

為此,各現場總線組織紛紛將以太網引入其現場總線體系中的高速部分,利用以太網和TCP/IP技術,以及原有的低速現場總線應用層協議,從而構成了所謂的工業以太網協議,如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。

Ethernet/IP

Ethernet/IP網絡採用商業以太網通信芯片、物理介質和星形拓撲結構,採用以太網交換機實現各設備間的點對點連接,能同時支持10Mbps和100Mbps以太網商用產品,Ethernet/IP的協議由IEEE802.3物理層和數據鏈路層標準、TCP/IP協議組和控制與信息協議CIP(ControlInformationProtocol)等3個部分組成,前面兩部分為標準的以太網技術,其特色就是被稱作控制和信息協議的CIP部分。

Ethernet/IP為了提高設備間的互操作性,採用了ControlNet和DeviceNet控制網絡中相同的CIP,CIP一方面提供實時I/O通信,一方面實現信息的對等傳輸,其控制部分用來實現實時I/O通信,信息部分則用來實現非實時的信息交換。



原文連結:https://inewsdb.com/其他/淺談工業交換機技術的現狀與發展/

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