簡介 以太網(wǎng)已經(jīng)獲得巨大的成功，并且被公司和大學(xué)辦公室所接受，現(xiàn)在正逐步的拓展有更多需求的工業(yè)環(huán)境應(yīng)用。以太網(wǎng)的吸引力包括監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸，被用來建立和配置設(shè)備的現(xiàn)存實用工具（如Telnet） ，還有可以從某個中心位置可以安裝控制設(shè)備的程序的能力。這些類型的應(yīng)用經(jīng)常使用在“管理層”，盡管以太網(wǎng)同時也在逐漸的滿足“設(shè)備層”的應(yīng)用。 這包括使用TCP/IP的以太網(wǎng)連接賴傳輸控制信號，比如在機器人技術(shù)中，操作高速排列的設(shè)備和SCADA(管理控制和數(shù)據(jù)采集)的應(yīng)用。 在這篇文章中，我們討論以太網(wǎng)的一些基本特性，它是如何應(yīng)用到工業(yè)環(huán)境中，然后考慮一下以太網(wǎng)交換機在幫助確保數(shù)據(jù)通過網(wǎng)路傳輸中起到的是什么特別角色。 什么阻止了以太網(wǎng)向工業(yè)環(huán)境發(fā)展？ Towards a more deterministic Ethernet—Switches to the rescue What makes an Ethernet Switch Industrial? Who needs an Industrial Ethernet Switch? Summary 什么阻止了以太網(wǎng)向工業(yè)環(huán)境發(fā)展？ 如最初所說的一樣，以太網(wǎng)的半雙工，且并存于總線拓撲，導(dǎo)致了“不確定“的數(shù)據(jù)傳輸接口，而這樣的以太網(wǎng)就意味著某些類型的“沖突檢測和避免”機制（這個技術(shù)術(shù)語就是：CSMA/CD，或者是帶碰撞檢測的多路載波存?。┬枰⑾鄳?yīng)規(guī)格。 這自然使更加簡單和更加熟悉的RS-232接口有著強烈的呼聲，并且理由之一是工控行業(yè)的使用者贊同任何有專利的接口而避免使用以太網(wǎng)。但是，現(xiàn)今的以太網(wǎng)絡(luò)是全雙工的，且存在于星形的網(wǎng)絡(luò)拓撲，盡管CSMA/CD仍然存在其間，100Mbps傳輸網(wǎng)絡(luò)和高速的以太網(wǎng)交換機的越來越多的使用將設(shè)備隔離在相互獨立的碰撞域，在以太網(wǎng)中產(chǎn)生了確定型的傳輸。 另一個阻礙以太網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境中使用的原因是以太網(wǎng)設(shè)備最初是和PC一起發(fā)展的。意思是，以太網(wǎng)設(shè)備被希望于能在和PC所工作的環(huán)境一樣出色的工作，比如在家中，辦公室里或者在氣溫可調(diào)節(jié)的機房里。這意味著存在一條規(guī)則，商用的以太網(wǎng)設(shè)備如果工作在有更多需求的工業(yè)環(huán)境中是不完全可靠的。 向有更多確定性的以太網(wǎng)交換機尋求解決辦法 這就可以圍繞由CSMA/CD帶來的確定性問題尋找解決辦法。首先是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的傳輸方式。以太網(wǎng)通常都是半雙工，這就是說一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不能同時進行收發(fā)數(shù)據(jù)。然而，現(xiàn)在的以太網(wǎng)是全雙工的工作模式，允許以太網(wǎng)卡在接收數(shù)據(jù)的時候同時可以發(fā)送數(shù)據(jù)（或者相反）。 這種情形經(jīng)常表現(xiàn)為全雙工的10Mbps，操作在相當于20Mbps的速率下，因為每個方向的傳輸速率都在10Mbps。 另一種減少數(shù)據(jù)幀碰撞機會的方法是盡量使同一網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的數(shù)量最小。為什么會有這個滿意的效果是很明顯的。越少的設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)即為在同一時間更多的設(shè)備企圖傳輸數(shù)據(jù)的機會更少。 第三種解決方法是確定性問題，并且這節(jié)標題的重點是用以太網(wǎng)交換機將少量的設(shè)備隔離起來形成所謂的“碰撞”域。交換機是有多個內(nèi)建的以太網(wǎng)端口和自己的處理器的專門的連接盒。交換機接收到數(shù)據(jù)幀，將轉(zhuǎn)發(fā)給交換機的每個端口，但是當交換機知道哪個MAC地址對應(yīng)哪個端口時， 它將只轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀給數(shù)據(jù)目標地址所對應(yīng)的端口。 舉個例子，假設(shè)一個網(wǎng)絡(luò)有500個主機，大家都競爭使用同一個網(wǎng)絡(luò)。因為有這么多的主機，那就很有可能2個主機同時傳輸數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在假想一下，我們使用以太網(wǎng)交換機將網(wǎng)絡(luò)中的10臺設(shè)備隔離成自己的“沖突域”。效果就是大量減少了從10個計算機發(fā)出的消息或者到達這10個計算機的碰撞的機會。實際上，把嚴格控制的設(shè)備放在自己的沖突域中，發(fā)生沖突的機會將幾乎減少為零。 什么促使了以太網(wǎng)交換機工業(yè)化 當以太網(wǎng)從辦公室轉(zhuǎn)移到工廠的時候，記住大部分商用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都是為舒適的辦公室環(huán)境和溫度可控的機房而設(shè)計的，這點非常重要。這意味著如果您購買了以太網(wǎng)設(shè)備，比如集線器和交換機，這些設(shè)計者的原意是為辦公環(huán)境而設(shè)計使用的，但是您卻把它們使用在高溫的和灰塵眾多的工廠中，設(shè)備可能完全部能工作，或者只能工作很短一段時間。 事實上，全新的工業(yè)已經(jīng)開始提供為專門工作在極端環(huán)境下設(shè)計和測試的以太網(wǎng)產(chǎn)品。正如上面暗示的，典型的工廠環(huán)境就是高溫，潮濕，灰塵很多，并且油性很大的。但是故事并沒有在這兒中止，您還可以在室外發(fā)現(xiàn)一些極端的情況。有些環(huán)境有在一年的 時間里很大的溫差變化： -30°C 到 +50°C。工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備的特性通常有下列事實為證： 產(chǎn)品被設(shè)計成能夠經(jīng)受的住極端的溫度變化（通常從 -20°C到 70°C）。外型被設(shè)計成能夠抵擋住外界的干擾，且經(jīng)常能夠把產(chǎn)品非常敏感的內(nèi)部的高溫直接進行自然冷卻 產(chǎn)品使用了高質(zhì)量和高可靠性的元器件（如，工業(yè)設(shè)備不使用風(fēng)扇和電解電容，這些都用在商用的交換機上，因為這些元器件由于他們的使用壽命不長帶來了不可靠性)。 誰會需要工業(yè)以太網(wǎng)交換機呢？ 許多重要的應(yīng)用都受益于工業(yè)以太網(wǎng)的使用。現(xiàn)列舉一部分如下： 將工廠的設(shè)備層和辦公室的計算機隔離開 想起以太網(wǎng)的一個方法就是把它當作“巨大的均衡器“。有一個非常真實的感覺， 那就是所有的設(shè)備（包括PC，服務(wù)器，PLC，傳感器，執(zhí)行器等）都以相同的等級連接到同一個網(wǎng)絡(luò)上。這是因為 存在一個嚴格的控制每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量， 透過以太網(wǎng)進行發(fā)送和接收都是先到先服務(wù)。把工廠的計算機和設(shè)備連接到同一個LAN讓工程師可以通過因特網(wǎng)進行存取操作，并且允許工廠和商務(wù)辦公室可以通過e-mai保持聯(lián)絡(luò)。同樣它也給了商務(wù)辦公室和MIS人員對工廠層的網(wǎng)絡(luò)運行狀況進行監(jiān)視的選擇。所有的內(nèi)部連接的缺點就是在控制設(shè)備間的數(shù)據(jù)的進出非產(chǎn)容易的 陷入到e-mail，ICQ的運行和對不同網(wǎng)頁的存取中。工業(yè)以太網(wǎng)交換機可以有效的將重要的控制設(shè)備隔離在他們自己的沖突域中。工程師們可以 從沖突域的外部來對設(shè)備進行存取，但是正如我們在開始就指出的， 數(shù)據(jù)在沖突域中將更自由。 隔離的獨立設(shè)備 這種類型的應(yīng)用與上面所描述的相類似，但是在這個例子中，只有一個設(shè)備連接到以太網(wǎng)交換機的端口上，將設(shè)備隔離在自己的沖突域中。舉一個具體的例子，控制工程師可以用一個多端口的以太網(wǎng)交換機來連接PLC和傳感器/執(zhí)行器。 除了偶爾的診斷和重新配置信息從另外的一部分網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來，交換機幾乎將所有的控制活動與其他的網(wǎng)絡(luò)隔離開了。 為兩個分開的沖突域提供了一個高速的連接 一些以太網(wǎng)交換機整合了10Mbps的以太網(wǎng)端口和更高速度的100Mbps端口，這個更高速度的端口用來級聯(lián)另外一個交換機。2個此類型的交換機可以組合在一起為兩個獨立的沖突域提供更高速的連接。因為在兩個交換機之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀花費1/10的時間在線路上， 數(shù)據(jù)重新發(fā)送的機會很小。這些內(nèi)部的交換機是全雙工的連接，所以兩臺交換機之間的碰撞概率幾乎為零。 為相互分隔的沖突域提供光纖連接 一些以太網(wǎng)交換機有兩個端口，一個是UTP以太網(wǎng)端口，使用電信號來傳輸數(shù)據(jù)； 一個是光纖端口，使用光脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。光脈沖可以避免受到閃電和一些生產(chǎn)設(shè)備的高壓的干擾，并且總的來說可以傳送更遠的距離。這就允許使用此類型的以太網(wǎng)交換機來將一部分工廠層的LAN和另外一部分的連接起來，因為光纖可以穿越遭受電磁干擾的廠區(qū)，還可以連接數(shù)公里之遠的建筑物。 連接冷凍設(shè)備或者冷卻設(shè)備 無論工廠層的環(huán)境有沒有變熱的趨勢，仍然可以發(fā)現(xiàn)在寒冷的環(huán)境中也有著重要的工業(yè)設(shè)備，比如大型的冷凍機，肉類存儲柜，冷卻機，還有遠在南北球的室外環(huán)境。以太網(wǎng)設(shè)備使用在這類極端寒冷的氣溫下（試想一下溫度低到-40°C，這和華氏負40度相似 ），必須進行特殊的設(shè)計，使其在這種相反的環(huán)境下可靠地工作。 與交通控制設(shè)備互連 一個非常重要的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用就是與交通控制設(shè)備進行互連，包含將監(jiān)視用的照相機，自動流量計數(shù)器和紅綠燈的控制連接到以太網(wǎng)。問題在于大部分的交通信號燈所在的位置都沒有內(nèi)嵌的以太網(wǎng)端口。解決這個問題的方法是在每個交通信號燈的位置安放一臺良好設(shè)計的工業(yè)以太網(wǎng)交換機。如果交換機有光纖接口，可以用來級聯(lián)交換機，這樣就可以用光纖將他們連接起來，這樣就可以方便的建立起一個室外的局域網(wǎng)，最終與中心控制臺進行連接。 概述 工業(yè)以太網(wǎng)交換機在建立以太局域網(wǎng)起了一個非常重要的角色，其可以工作在工廠和室外的環(huán)境。這種類型環(huán)境下，以太網(wǎng)交換機的主要應(yīng)用是：1）將重要的控制設(shè)備隔離在自己的碰撞域；2）使用光纖穿過廠區(qū)，避免電磁干擾；3）延伸工廠或者公司的局域網(wǎng)到其他的建筑物。重要的是記住工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備比商用的設(shè)備更可靠，因為需要在極端的環(huán)境下利用它來解決問題。當在工業(yè)環(huán)境下使用以太網(wǎng)交換機，需要考慮到以下幾個問題： 較高的溫度等級 能經(jīng)受較高的振動和沖擊 工業(yè)級包裝 帶冗余的工業(yè)電源輸入 危險場所的準入許可 價格比較便宜的商用以太網(wǎng)交換機在設(shè)計的時候基本沒有考慮到這些情況