为什么使用工业以太网交换机

简介 以太网已经获得巨大的成功，并且被公司和大学办公室所接受，现在正逐步的拓展有更多需求的工业环境应用。以太网的吸引力包括监视数据传输，被用来建立和配置设备的现存实用工具（如Telnet） ，还有可以从某个中心位置可以安装控制设备的程序的能力。这些类型的应用经常使用在“管理层”，尽管以太网同时也在逐渐的满足“设备层”的应用。 这包括使用TCP/IP的以太网连接赖传输控制信号，比如在机器人技术中，操作高速排列的设备和SCADA(管理控制和数据采集)的应用。 在这篇文章中，我们讨论以太网的一些基本特性，它是如何应用到工业环境中，然后考虑一下以太网交换机在帮助确保数据通过网路传输中起到的是什么特别角色。 什么阻止了以太网向工业环境发展？ Towards a more deterministic Ethernet—Switches to the rescue What makes an Ethernet Switch Industrial? Who needs an Industrial Ethernet Switch? Summary 什么阻止了以太网向工业环境发展？ 如最初所说的一样，以太网的半双工，且并存于总线拓扑，导致了“不确定“的数据传输接口，而这样的以太网就意味着某些类型的“冲突检测和避免”机制（这个技术术语就是：CSMA/CD，或者是带碰撞检测的多路载波存取）需要建立相应规格。 这自然使更加简单和更加熟悉的RS-232接口有着强烈的呼声，并且理由之一是工控行业的使用者赞同任何有专利的接口而避免使用以太网。但是，现今的以太网络是全双工的，且存在于星形的网络拓扑，尽管CSMA/CD仍然存在其间，100Mbps传输网络和高速的以太网交换机的越来越多的使用将设备隔离在相互独立的碰撞域，在以太网中产生了确定型的传输。 另一个阻碍以太网在工业环境中使用的原因是以太网设备最初是和PC一起发展的。意思是，以太网设备被希望于能在和PC所工作的环境一样出色的工作，比如在家中，办公室里或者在气温可调节的机房里。这意味着存在一条规则，商用的以太网设备如果工作在有更多需求的工业环境中是不完全可靠的。 向有更多确定性的以太网交换机寻求解决办法 这就可以围绕由CSMA/CD带来的确定性问题寻找解决办法。首先是数据在网络设备间的传输方式。以太网通常都是半双工，这就是说一个网络设备不能同时进行收发数据。然而，现在的以太网是全双工的工作模式，允许以太网卡在接收数据的时候同时可以发送数据（或者相反）。 这种情形经常表现为全双工的10Mbps，操作在相当于20Mbps的速率下，因为每个方向的传输速率都在10Mbps。 另一种减少数据帧碰撞机会的方法是尽量使同一网络中设备的数量最小。为什么会有这个满意的效果是很明显的。越少的设备传输数据即为在同一时间更多的设备企图传输数据的机会更少。 第三种解决方法是确定性问题，并且这节标题的重点是用以太网交换机将少量的设备隔离起来形成所谓的“碰撞”域。交换机是有多个内建的以太网端口和自己的处理器的专门的连接盒。交换机接收到数据帧，将转发给交换机的每个端口，但是当交换机知道哪个MAC地址对应哪个端口时， 它将只转发数据帧给数据目标地址所对应的端口。 举个例子，假设一个网络有500个主机，大家都竞争使用同一个网络。因为有这么多的主机，那就很有可能2个主机同时传输数据。现在假想一下，我们使用以太网交换机将网络中的10台设备隔离成自己的“冲突域”。效果就是大量减少了从10个计算机发出的消息或者到达这10个计算机的碰撞的机会。实际上，把严格控制的设备放在自己的冲突域中，发生冲突的机会将几乎减少为零。 什么促使了以太网交换机工业化 当以太网从办公室转移到工厂的时候，记住大部分商用网络设备都是为舒适的办公室环境和温度可控的机房而设计的，这点非常重要。这意味着如果您购买了以太网设备，比如集线器和交换机，这些设计者的原意是为办公环境而设计使用的，但是您却把它们使用在高温的和灰尘众多的工厂中，设备可能完全部能工作，或者只能工作很短一段时间。 事实上，全新的工业已经开始提供为专门工作在极端环境下设计和测试的以太网产品。正如上面暗示的，典型的工厂环境就是高温，潮湿，灰尘很多，并且油性很大的。但是故事并没有在这儿中止，您还可以在室外发现一些极端的情况。有些环境有在一年的 时间里很大的温差变化： -30°C 到 +50°C。工业以太网设备的特性通常有下列事实为证： 产品被设计成能够经受的住极端的温度变化（通常从 -20°C到 70°C）。外型被设计成能够抵挡住外界的干扰，且经常能够把产品非常敏感的内部的高温直接进行自然冷却 产品使用了高质量和高可靠性的元器件（如，工业设备不使用风扇和电解电容，这些都用在商用的交换机上，因为这些元器件由于他们的使用寿命不长带来了不可靠性)。 谁会需要工业以太网交换机呢？ 许多重要的应用都受益于工业以太网的使用。现列举一部分如下： 将工厂的设备层和办公室的计算机隔离开 想起以太网的一个方法就是把它当作“巨大的均衡器“。有一个非常真实的感觉， 那就是所有的设备（包括PC，服务器，PLC，传感器，执行器等）都以相同的等级连接到同一个网络上。这是因为 存在一个严格的控制每次传输的数据量， 透过以太网进行发送和接收都是先到先服务。把工厂的计算机和设备连接到同一个LAN让工程师可以通过因特网进行存取操作，并且允许工厂和商务办公室可以通过e-mai保持联络。同样它也给了商务办公室和MIS人员对工厂层的网络运行状况进行监视的选择。所有的内部连接的缺点就是在控制设备间的数据的进出非产容易的 陷入到e-mail，ICQ的运行和对不同网页的存取中。工业以太网交换机可以有效的将重要的控制设备隔离在他们自己的冲突域中。工程师们可以 从冲突域的外部来对设备进行存取，但是正如我们在开始就指出的， 数据在冲突域中将更自由。 隔离的独立设备 这种类型的应用与上面所描述的相类似，但是在这个例子中，只有一个设备连接到以太网交换机的端口上，将设备隔离在自己的冲突域中。举一个具体的例子，控制工程师可以用一个多端口的以太网交换机来连接PLC和传感器/执行器。 除了偶尔的诊断和重新配置信息从另外的一部分网络发送过来，交换机几乎将所有的控制活动与其他的网络隔离开了。 为两个分开的冲突域提供了一个高速的连接 一些以太网交换机整合了10Mbps的以太网端口和更高速度的100Mbps端口，这个更高速度的端口用来级联另外一个交换机。2个此类型的交换机可以组合在一起为两个独立的冲突域提供更高速的连接。因为在两个交换机之间传输的数据帧花费1/10的时间在线路上， 数据重新发送的机会很小。这些内部的交换机是全双工的连接，所以两台交换机之间的碰撞概率几乎为零。 为相互分隔的冲突域提供光纤连接 一些以太网交换机有两个端口，一个是UTP以太网端口，使用电信号来传输数据； 一个是光纤端口，使用光脉冲来传输数据。光脉冲可以避免受到闪电和一些生产设备的高压的干扰，并且总的来说可以传送更远的距离。这就允许使用此类型的以太网交换机来将一部分工厂层的LAN和另外一部分的连接起来，因为光纤可以穿越遭受电磁干扰的厂区，还可以连接数公里之远的建筑物。 连接冷冻设备或者冷却设备 无论工厂层的环境有没有变热的趋势，仍然可以发现在寒冷的环境中也有着重要的工业设备，比如大型的冷冻机，肉类存储柜，冷却机，还有远在南北球的室外环境。以太网设备使用在这类极端寒冷的气温下（试想一下温度低到-40°C，这和华氏负40度相似 ），必须进行特殊的设计，使其在这种相反的环境下可靠地工作。 与交通控制设备互连 一个非常重要的网络应用就是与交通控制设备进行互连，包含将监视用的照相机，自动流量计数器和红绿灯的控制连接到以太网。问题在于大部分的交通信号灯所在的位置都没有内嵌的以太网端口。解决这个问题的方法是在每个交通信号灯的位置安放一台良好设计的工业以太网交换机。如果交换机有光纤接口，可以用来级联交换机，这样就可以用光纤将他们连接起来，这样就可以方便的建立起一个室外的局域网，最终与中心控制台进行连接。 概述 工业以太网交换机在建立以太局域网起了一个非常重要的角色，其可以工作在工厂和室外的环境。这种类型环境下，以太网交换机的主要应用是：1）将重要的控制设备隔离在自己的碰撞域；2）使用光纤穿过厂区，避免电磁干扰；3）延伸工厂或者公司的局域网到其他的建筑物。重要的是记住工业以太网设备比商用的设备更可靠，因为需要在极端的环境下利用它来解决问题。当在工业环境下使用以太网交换机，需要考虑到以下几个问题： 较高的温度等级 能经受较高的振动和冲击 工业级包装 带冗余的工业电源输入 危险场所的准入许可 价格比较便宜的商用以太网交换机在设计的时候基本没有考虑到这些情况