工业以太网入门教程

工业以太网入门教程[第1讲]——工业以太网联网设备基本知识提供:美国科动控制系统公司作者:科动浏览次数：4716今天的控制系统和工厂自动化系统，以太网的应用几乎已经和PLC一样普及。但现场工程师们对以太网的了解，大多来自他们对传统商业以太网的认识。很多控制系统工程的实施甚至是直接让IT部门的技术人员来实施。但是，IT工程师们对于以太网的了解，往往局限于办公自动化商业以太网的实施经验，可能导致工业以太网在工业控制系统中实施的简单化和商业化，不能真正理解工业以太网在工业现场的意义，也无法真正利用工业以太网内在的特殊功能，常常造成工业以太网现场实施的不彻底，给整个控制系统留下不稳定因素。那么选择正确的工业以太网要考虑哪些因素？简单的来说，要从以太网通讯协议、电源、通信速率、工业环境认证考虑、安装方式、外壳对散热的影响、简单通信功能和通信管理功能、电口或光口的考虑。这些都是最基本需要了解的产品选择因素。如果对工业以太网的网络管理有更高要求，则需要考虑所选择产品的高级功能如：信号强弱、端口设置、出错报警、串口使用、主干(TrunkingTM)冗余、环网冗余、服务质量(QoS)、虚拟局域网(VLAN)、简单网络管理协议(SNMP)、端口镜像等等其他工业以太网管理交换机中可以提供的功能。不同的控制系统对网络的管理功能要求不同，自然对管理型交换机的使用也有不同要求。控制工程师们应该根据其系统的设计要求，挑选适合自己系统的工业以太网产品。由于工业环境对工业控制网络可靠性能的超高要求，工业以太网的冗余功能应运而生。从快速生成树冗余(RSTP)、环网冗余(RapidRingTM)到主干冗余(TrunkingTM)，都有各自不同的优势和特点，控制工程师们可以根据自己的要求进行选择。为了更好地帮助大家了解和学习工业以太网冗余技术的特点，让我们首先回顾以下以太网设备的发展过程。集线器(Hub)相信绝大多数人都熟悉集线器。很多人使用这种简易设备去连接各种基于以太网的设备，如个人计算机，可编程控制器等。集线器接收到来自某一端口的消息，再将消息广播到其它所有的端口。对来自任一端口的每一条消息，集线器都会把它传递到其它的各个端口。在消息传递方面，集线器是低速低效的，可能会出现消息冲突。然而，集线器的使用非常简单－实际上可以即插即用。集线器没有任何华而不实的功能，也没有冗余功能。非管理型交换机(UnmanagedSwitch)集线器的发展产生了一种叫非管理型交换机的设备。它能实现消息从一个端口到另一个端口的路由功能，相对集线器更加智能化。非管理型交换机能自动探测每台网络设备的网络速度。另外，它具有一种称为“MAC地址表”的功能，能识别和记忆网络中的设备。换言之，如果端口2收到一条带有特定识别码的消息，此后交换机就会将所有具有那种特定识别码的消息发送到端口2。这种智能避免了消息冲突，提高了传输性能，相对集线器是一次巨大的改进。然而，非管理型交换机不能实现任何形式的通信检测和冗余配置功能。管理型交换机(ManagedSwitch)以太网连接设备发展的下一代产品是管理型交换机。相对集线器和非管理型交换机，管理型交换机拥有更多更复杂的功能，价格也高出许多－通常是一台非管理型交换机的3～4倍。管理型交换机提供了更多的功能，通常可以通过基于网络的接口实现完全配置。它可以自动与网络设备交互，用户也可以手动配置每个端口的网速和流量控制。一些老设备可能无法使用自动交互功能，因此手动配置功能是必不可缺的。绝大多数管理型交换机通常也提供一些高级功能，如用于远程监视和配置的SNMP(简单网络管理协议)，用于诊断的端口映射，用于网络设备成组的VLAN(虚拟局域网)，用于确保优先级消息通过的优先级排列功能等。利用管理型交换机，可以组建冗余网络。使用环形拓扑结构，管理型交换机可以组成环形网络。每台管理型交换机能自动判断最优传输路径和备用路径，当优先路径中断时自动阻断(block)备用路径。管理型冗余交换机高级的管理型冗余交换机提供了一些特殊的功能，特别是针对有稳定性、安全性方面严格要求的冗余系统进行了设计上的优化。构建冗余网络的主要方式主要有以下几种，STP、RSTP；环网冗余RapidRingTM以及Trunking。1、STP及RSTPSTP(SpanningTreeProtocol，生成树算法，IEEE802.1D)，是一个链路层协议，提供路径冗余和阻止网络循环发生。它强令备用数据路径为阻塞(blocked)状态。如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置及链路重构。网络中断恢复时间为30-60s之间。RSTP(快速生成树算法，IEEE802.1w)作为STP的升级，将网络中断恢复时间，缩短到1-2s。生成树算法网络结构灵活，但也存在恢复速度慢的缺点。2、环网冗余RapidRingTM为了能满足工业控制网络实时性强的特点，RapidRingTM孕育而生。这是在以太网网络中使用环网提供高速冗余的一种技术。这个技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。并可以通过交换机的出错继电连接、状态显示灯和SNMP设置等方法来提醒用户出现的断网现象。这些都可以帮助诊断环网什么地方出现断开。RapidRingTM也支持两个连接在一起的环网，使网络拓朴更为灵活多样。两个环通过双通道连接，这些连接可以是冗余的，避免单个线缆出错带来的问题。图解：用管理型交换机实现RapidRingTM环网连接，网络中断恢复时间小于300ms3、主干冗余Trunking将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口，并建立连接，则这些交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。不但成倍的提高了骨干链接的网络带宽，增强了网络吞吐量，而且还还提供了另外一个功能，即冗余功能。如果网络中的骨干链接产生断线等问题，那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递，保证网络的通讯正常。Trunking主干网络采用总线型和星型网络结构，理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法，所以使网络中断恢复时间达到了新的高度，一般恢复时间在10ms以下。图解：用管理型交换机实现Trunking主干连接，网络中断恢复时间小于10ms工业以太网入门教程[第2讲]——虚拟局域网介绍提供:美国科动控制系统公司作者:GeorgeThomas,美国科动控制公司总裁浏览次数：3515引言局域网(LAN)是一种专用网络，通常局限于一个工厂的范围。虚拟局域网(VLAN)允许将一个物理上的单网络分割为若干个较小的逻辑LAN。VLAN限制广播域，提高安全性和改进性能，是用于从IT系统分离工业自动化系统的理想方案。结构化的接线从现场总线技术迁移到工业以太网的优点之一可从评论“我们的工厂早已接线到以太网。我不需要敷设专门的接线，因为双绞线早已存在”中找到。这就是事实，因为以太网电缆的安装遵照结构化接线的标准，如TIA/EIA-568-ACommercialBuildingTelecommunicationsCablingStandard商业楼宇远程通信接线标准。根据这个标准将每个工作区的终端站接线到接线柜中的插座面板。这些插座面板还连接到安装在接线柜中的中继型集线器或交换型集线器(参阅图1)。终端站和集线器端口之间的交叉连接由短的跳接线实现。每个接线柜引出一根单线，它连接到位于设备室中的级联式集线器。所有接线柜馈送信号到设备室，设备室有可能不止一个,但标准倾向于限制分层的层次数量。工厂车间级的装置以相似的方式接线，通过这种接线方式，所有车间中的站共享同一个LAN。图1：结构化的接线建立起一个集线器的分层。共享同一个LAN并不总是一个好的理念。LAN典型地由IT部门维护，而信息技术越来越感兴趣于网络安全而不是最大化开工时间。断开一个被用户怀疑有故障的站，典型的做法是卸除跳接线，这对用户来说是很不方便的，而且对工业控制系统来说，这样的做法会给设备带来灾难性的损坏。因此，曾建议配置两个LAN——一个用于IT部门而另一个用于工业自动化系统。毫无疑问，这可以消除IT部门关于安全问题的担心。然而分隔物理上的接线，也许是不可能，再者也不方便。需要分隔信息技术ITLAN和工业自动化LAN还有另一个理由，一个LAN可认为是一个单纯的广播域。这就是说，广播报文(发送到所有站的报文)被发送到在LAN上的每一个站，对组播报文(播送到多个站但不是所有站的报文)，通常这也是对的。因为，如要接收组播报文的站的确实地址为未知，则所有的站将接收该报文。为了改进实时响应，工业自动化系统经常使用producer/consumer模式。在producer/consumer模式，由某一个站生成的原始报文为若干个称为consumer的站所接收。对以太网来说，这种模式会生成许多广播和组播报文，从而消耗LAN的整个带宽，因此并不适用。有什么方法可以保持在同一个物理网络但又允许分隔LAN的功能度呢？答案是肯定的，这就是本文要介绍的虚拟局域网(VLAN)。VLAN的结构一个LAN，包括站、中继型集线器和交换式集线器，均运行在数据链路层上，如使用路由器，可将LAN连接到其他LAN，从而建立起互联运行。然后，给予每个LAN一个网络地址。互联运行的最好例子就是互联网(Internet)。有可能一个LAN是工业自动化系统而另一个LAN是信息系统，两个LAN通过路由器彼此链接。然而，在工厂内的结构化接线通常并不直接支持这样的接线。此外，配置路由器比配置VLAN，其难度要大得多。我们期望的是：信息系统和工业自动化系统在同一个LAN上，但它们在逻辑上分隔为两个LAN，这就是VLAN能在一个LAN内，所有的站连接到中继型集线器。全部站点侦听3种类型的发送——单播、组播和广播。这种情况是不可能建立起分隔的VLAN，因为没有一个限制通信量的方法。VLAN的一个基本要求是使用交换型集线器，通过观察其进入端口接收报文中出现的源MAC(MediumAccessControl，媒体访问控制)，一个交换机能了解站点的位置。MAC地址-端口号的关联(Association)就这样登录在其筛选数据库内。以后，所有指定到存储在交换机筛选数据库中的某一个MAC地址的发送只能导向到与该MAC地址关联的端口。如接收到一个没有关联的MAC地址，则发送将涌向所有端口(除该接收的端口外)，也就是说，这时交换机的功能如同一个中继式集线器。以上对组播或广播报文均适用。由于交换机限制单播报文，只能到有关的站，因此其性能比中继式集线器有明显的改进。正是这种筛选能力用于VLAN的开发，通过建立到交换机端口的VLAN关联，一个单独的交换型集线器经过这样的配置，其作用如同若干个独立的交换型集线器。熟悉现场总线接线的人们经常抱怨工业以太网的一个方面，那就是它坚持TIA/EIA-586-A限定的星形拓朴结构接线。现场总线是以总线拓朴结构接线的，因此不需要使用集线器。由于所有的发送均和现场总线的通信业务有关，因此亦没有必要分隔发送。结构化接线标准只支持星形拓朴结构，所以不支持总线拓朴以太网标准如10BASE2。然而正是星形拓朴允许我们建立VLAN，由于一个，只允许一个站连接到集线器上的一个端口，通过端口的关联就可以知道站点的确实位置，因此使用交换型集线器技术能建立起VLAN。端口VLAN有多种方法可以建立VLAN，但最容易理解的是端口VLAN。交换机建立了一个MAC地址和端口号的关联，需要增加的是一个VLAN关联，这通过配置一个支持VLAN的交换机来完成。即插即用(PlugandPlaySwitch)交换机不可能支持VLAN——因为它不可能通过操作员的干预来改变其个性化特点。例如，在一个有16个端口的交换机中，我们需要建立编号为1到3的3个分隔的VLAN。当配置时，我们将交换机上的每个端口关联到与之相应的VLAN。然后位于每一个VLAN分配(Assignment)即分隔的VLAN中的通信业务被限制于那些关联到此VLAN分配的端口。以该3个VLAN的交换机为例，我们建立和VLAN1关联的端口为1，2，3和4，一个在端口1的广播或组播报文只能发送到