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工業(yè)以太網(wǎng)十個核心基礎(chǔ)概念!

2020-10-22
來源:工業(yè)機器人培訓(xùn)

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與普通的以太網(wǎng)相比,工業(yè)以太網(wǎng)需要解決開放性、實時性,、同步性,、可靠性、抗干擾性及安全性等諸多方面的問題,,這也是工業(yè)自動化廠商不同于普通IT廠商能為工業(yè)用戶帶去更大價值的地方,。

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  工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE802.3(Ethernet)的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò),是電力通信和電網(wǎng)信息化不可或缺的網(wǎng)絡(luò)平臺,。繼10M波特率以太網(wǎng)成功運行之后,,具有交換功能、全雙工和自適應(yīng)的100M波特率快速以太網(wǎng)(FastEthernet,,符合IEEE802.3u的標(biāo)準(zhǔn))也已成功運行多年,。

  一、拓撲結(jié)構(gòu)

  拓撲是網(wǎng)絡(luò)中電纜的布置,。眾所周知,,EIA-485或CAN采用總線型拓撲。但在工業(yè)以太網(wǎng)中,,由于普遍使用集線器或交換機,,拓撲結(jié)構(gòu)為星型或分散星型。

  二,、接線

  工業(yè)以太網(wǎng)使用的電纜有屏蔽雙絞線(STP),、非屏蔽雙絞線(UTP)、多?;騿文9饫|,。10Mbps的速率對雙絞線沒有過高的要求,而在100Mbps速率下,,推薦使用五類或超五類線,。光纖鏈接時需要一對,常用的多模光纖波長為62.5/125μm或50/125μm,。與多模光纖的內(nèi)芯相比,,單模光纖的內(nèi)芯很細,只有10μm左右,。通常,,10Mbps使用多模光纖,,100Mbps下,單模,、多模光纖都適用,。

  三、接頭和連接

  雙絞線接頭中RJ-45較常見,,共兩對線,,一對用于發(fā)送,另一對用于接收,。在媒介相關(guān)接口(MDI)的定義中,,這四個信號分別標(biāo)識為RD ,RD-,,TD ,,TD-。一條通信鏈路由DTE(數(shù)據(jù)終端設(shè)備,,如工作站)和DCE(數(shù)據(jù)通訊設(shè)備,,如中繼器或交換機)組成。集線器端口標(biāo)識為MDI-X端口表明DTE和DCE可以使用直通電纜相連,。假如是兩個DTE或兩個DCE相連,,可以采用電纜交叉的方法或直接利用集線器提供的上連端口(電纜不要交叉)。光纖接頭有兩種,,ST接頭用于10Mbps或100Mbps,;SC接頭專用于100Mbps。單模纖通常使用SC接頭,。DTE與DCE之間的連接只需依照端口的TX,、RX標(biāo)識即可。

  四,、工業(yè)以太網(wǎng)與普通商用以太網(wǎng)產(chǎn)品

  什么是工業(yè)以太網(wǎng),?技術(shù)上,它與IEEE802.3兼容,,但設(shè)計和包裝兼顧工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的要求,。工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)計者希望采用市場上可以找到的以太網(wǎng)芯片和媒介,,兼顧考慮工業(yè)現(xiàn)場的特殊要求,。首先考慮的是高溫、潮濕,、震動,。第二看是否能方便地安裝在工業(yè)現(xiàn)場控制柜內(nèi)。第三是電源要求,。許多控制柜內(nèi)提供的電源都是低壓交流或直流,。墻裝式電源裝置有時不能適應(yīng),。電磁兼容性(EMC)的要求隨工業(yè)環(huán)境對EMI(工業(yè)抗干擾)和ESD(工業(yè)抗震)要求的不同而變化。現(xiàn)場的安全標(biāo)準(zhǔn)與辦公室的完全不同,。有時需要的是惡劣環(huán)境的額定值,。工廠里采用的可能是工業(yè)控制柜標(biāo)準(zhǔn)而樓宇系統(tǒng)采用的往往是煙霧標(biāo)準(zhǔn)。顯然低價的商用以太網(wǎng)集線器和交換機無法達到這些要求,。五,、速度和距離

  討論共享型以太網(wǎng)的距離,不能忽略碰撞域(CollisionDomain)的概念,。共享型以太網(wǎng)或半雙工以太網(wǎng)的媒體訪問是由載波偵聽多路訪問/碰撞檢測(CSMA/CD)確定的,。在半雙工的通訊方式下,發(fā)送和接收不能同時進行,,否則數(shù)據(jù)會發(fā)生碰撞,。站點發(fā)送前,首先要看是否有空閑的信道,。發(fā)送時,,站點還會在一段時間內(nèi)收聽,確保在這一時間內(nèi)沒有其它站點在進行同步傳送,,最終本站發(fā)送成功,。反之,發(fā)生碰撞,,源站點發(fā)送阻塞信號加強碰撞,。競爭站點延遲后(延遲時間由算法確定,是隨機的)重試,。在這種機制下,,所有站點和所有集線器都必須在同一碰撞域內(nèi)。對工業(yè)以太網(wǎng)來說,,10Mbps和100Mbps是最常用的,。在10Mbps,全部采用雙絞線的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中,,與距離有關(guān)的概念有兩個,,即網(wǎng)段(Segment)和網(wǎng)絡(luò)范圍(NetworkDiameter)。前者指連接兩個設(shè)備(集線器,、交換機或主機)的距離,,后者指網(wǎng)絡(luò)中兩個最遠端設(shè)備之間的距離。不管是10Mbps或100Mbps的網(wǎng)絡(luò),,網(wǎng)段的最遠距離不能超過100米,。考慮網(wǎng)絡(luò)延伸,,最有用的規(guī)則就是5-4-3規(guī)則(僅僅針對10Mbps中繼器),。規(guī)則的內(nèi)容如下:一個網(wǎng)絡(luò)最多有五個網(wǎng)段,,四個中繼器,不多于三個的混合網(wǎng)段,?;旌暇W(wǎng)段指的是同軸總線網(wǎng)段(已淘汰)。由于雙絞線網(wǎng)段的最遠距離是100米,,最大網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)范圍)就是500米,。光纖網(wǎng)段的最遠距離可達2公里,但IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,,使用光纖,,級聯(lián)數(shù)最多不能超過3個,且網(wǎng)絡(luò)末端需使用雙絞線,,中間的兩個為光纖網(wǎng)段并保證每個網(wǎng)段不超過1公里,。這樣,整個光纖網(wǎng)段長度限制在2公里,。5-4-3規(guī)則對100Mbps是不適用的,。建議使用100Mbps交換機。

  六,、集線器和交換機

  中繼型集線器是構(gòu)成以太網(wǎng)拓撲的基本設(shè)備,,為多端口設(shè)備,有四,、八,、十二口等,可級聯(lián)構(gòu)成分散星型拓撲,。集線器均符合IEEE802.3中繼單元要求,。這些要求包括前導(dǎo)碼生成、對稱和幅度補償,。中繼器必須對信號再定時,,這樣收發(fā)器和電纜引起的信號抖動不會在多網(wǎng)段傳播時累積。這些設(shè)備能偵測出不完整的數(shù)據(jù)包和沖突,,并產(chǎn)生一個阻塞信號相作用,。它們還會自動隔離有問題的端口以維持網(wǎng)絡(luò)正常工作。接口轉(zhuǎn)接器另一系列產(chǎn)品是接口轉(zhuǎn)接器,,有時稱為收發(fā)器,。它們將一種媒介轉(zhuǎn)為另一種媒介。最重要的轉(zhuǎn)換是雙絞線至光纖的轉(zhuǎn)換,。由于很多集線器沒有光纖端口,,接口轉(zhuǎn)接器就是用來支持網(wǎng)絡(luò)中光纖的應(yīng)用的。這些設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中是透明,。端口不存儲幀也不檢測碰撞,,只是將一種媒介轉(zhuǎn)為另一端兼容的信號。交換型集線器(交換機)交換型集線器可以取代中繼型集線器并改善網(wǎng)絡(luò)的性能,。與物理層設(shè)備-中繼型集線器不同,,交換型集線器實際上是連接兩個數(shù)據(jù)鏈路的網(wǎng)橋,也就是說碰撞域在每個交換機端口進行了終結(jié),。所以,,增加了交換機就擴展了網(wǎng)絡(luò)地理上的范圍,級聯(lián)交換機可以大規(guī)模地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴展交換機比中繼型集線器復(fù)雜,。雙絞線端口自動與附屬端口進行速率協(xié)商(10Mbps還是100Mbps),。流量控制功能也通過協(xié)商進行。全雙工網(wǎng)段采用PAUSE方案,,半雙工網(wǎng)段通常采用backpressure方案,。交換機讀取一個完整的幀并察看其源地址后就能查出所連以太網(wǎng)設(shè)備的端口位置。交換機隨即產(chǎn)生一張端口地址表格并維護表的內(nèi)容,。從這時起,,網(wǎng)絡(luò)通信僅限于與本次傳送有關(guān)的端口。由于同步的傳送無需任何操作即可在這些端口上實現(xiàn),,網(wǎng)絡(luò)的吞吐量提高了,。表的內(nèi)容會根據(jù)連接信息的變化自動刷新。如果某個端口收到的信息需廣播發(fā)送,、群組發(fā)送或發(fā)送地址不詳,,交換機會自動把信息發(fā)至所有端口。與中繼型集線器不同,,這兒有多個碰撞域存在,,每個碰撞域必須遵守上述的規(guī)則。中繼集線器可以與交換機端口相連,。如果網(wǎng)絡(luò)中都是交換機,,則雙絞線網(wǎng)段保持100米,但級聯(lián)沒有限制,。在使用光纖前必須先注明是半,、全雙工。中繼型集線器與交換型集線器的對比顯然,,交換機的性能比集線器提高一些,,但集線器的優(yōu)點是,容易理解,,在任何一個端口都可以通過網(wǎng)絡(luò)分析儀觀測數(shù)據(jù)通訊,。交換機則必須在某個端口實現(xiàn)廣播發(fā)送方能測量。作為網(wǎng)橋,,交換機存儲,、轉(zhuǎn)發(fā)整個數(shù)據(jù)幀并引起了數(shù)據(jù)的延遲,。集線器接收網(wǎng)絡(luò)信號沒有數(shù)據(jù)延遲。交換機級聯(lián)還增加延時,,因此,,集線器和交換機在工業(yè)以太網(wǎng)中各有各的應(yīng)用場合。

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  七,、半雙工,、全雙工

  半雙工意味著同一媒體的發(fā)送和接收是異步進行的。全雙工則相反,,有單獨的發(fā)送和接收通路,。全雙工鏈路是擴展快速以太網(wǎng)(100Mbps)的關(guān)鍵。全雙工的鏈接網(wǎng)段不能超過兩個設(shè)備,,可以是網(wǎng)卡或交換機端口,。注意:不是中繼型集線器端口,集線器沒有全雙工模式,。這是因為集線器是碰撞域的一部分,,它會加強其它端口接收的碰撞。只有兩塊網(wǎng)卡時可以實施全雙工通訊,,多于兩塊網(wǎng)卡時的全雙工方式,,必須考慮交換機。10BASE-T,、10BASE-FL有單獨的發(fā)送和接收通路,,根據(jù)網(wǎng)卡或交換機端口的復(fù)雜性,可以執(zhí)行全雙工,。如果這些接口配置在半雙工方式下,,接收、發(fā)送的同步偵測會觸發(fā)碰撞的偵測,。同樣的接口設(shè)置成全雙工,,由于全雙工并不遵從共享型CSMA/CD規(guī)則,碰撞檢測會被禁止,。全雙工鏈接的配置要正確,。當(dāng)站點配置在全雙工方式下,站點或交換型集線器的端口以忽略CSMA/CD協(xié)議的方式發(fā)送幀,。如果另一端設(shè)置在半雙工方式下,,它會偵測出碰撞并引發(fā)其它問題出現(xiàn),如CRC出錯,,網(wǎng)絡(luò)的速度下降,,快速以太網(wǎng)的優(yōu)勢消失。如前所述,由于碰撞的原因,,100Mbps下的網(wǎng)絡(luò)范圍有所縮小,。對于雙絞線網(wǎng)段和交換端口來說,網(wǎng)段的最長距離是100米(在碰撞域范圍內(nèi)),。問題是在光纖端口上,,對于多模光纖來說,,網(wǎng)段的長度是2公里,;對于單模光纖來說,是15公里,。半雙工方式下,,受碰撞域限制,網(wǎng)段距離為412米,。因此,,只有在全雙工模式下(CSMA/CA被忽略),光纖網(wǎng)段的延伸才能達到極限,??焖僖蕴W(wǎng)方式下,推薦使用交換機技術(shù),??焖僖蕴W(wǎng)下的光纖端口,建議使用全雙工,。

  八,、自動協(xié)商

  隨著快速以太網(wǎng)使用廣泛、與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相似的接線規(guī)則,,IEEE802.3u建議自動配置快速以太網(wǎng),,使得傳統(tǒng)以太網(wǎng)端口能與其它快速以太網(wǎng)端口工作。該配置協(xié)議基于NationalSemiconductor'sNWay標(biāo)準(zhǔn),。雙絞線鏈路自動進行速度匹配,,以利于數(shù)據(jù)通訊的進行。該方案適用于雙絞線鏈接,。光纖的情況有所不同,。盡管光纖在以太網(wǎng)的發(fā)展歷史中有非常重要的地位。但兩個光纖設(shè)備的速度無法進行自動協(xié)商,,這是因為10BASE-FL設(shè)備工作在850nm,,100BASE-FX工作在1300nm。兩者無法互操作,。但是,,對于自動協(xié)商協(xié)議而言,兩個光纖設(shè)備間的自協(xié)商是可行的(如果通訊沒有問題的話)。意識到這一點,,新推出的100BASE-SX標(biāo)準(zhǔn)可以使850nm光纖在10Mbps或100Mbps下工作,。100Mbps下網(wǎng)段的距離為300米。因此,,安裝時請注意,。光纖的速率通常是固定的,不實行協(xié)商,。自動協(xié)商協(xié)議在雙絞線鏈路是成功的,。自動協(xié)商的優(yōu)點在于它使用戶無需進行手工設(shè)置,完全由設(shè)備自身決定各自的技術(shù)水準(zhǔn),。級別由高到低如下:

  1000BASE-T全雙工最高

  1000BASE-T

  100BASE-T2全雙工

  100BASE-TX全雙工

  100BASE-T2

  100BASE-T4

  100BASE-TX

  10BASE-T全雙工

  10BASE-T最低

  其中最低的級別是10BASE-T(半雙工,、共享以太網(wǎng)),最高為1000BASE-T全雙工,。這是一個完整的優(yōu)先級別方案,,但不表示某塊網(wǎng)卡可以處理所有這些技術(shù)。實際上,,有一些技術(shù)在商業(yè)上并沒有實施,,但它們都與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)一致。每個端口檢查各自的技術(shù)性能并確定最終的速率(較低的速率),。例如:如果網(wǎng)卡支持10BASE-T而交換機端口能力在10BASE-T或10BASE-TX,,那么最終選擇的是10BASE-T。如果一塊網(wǎng)卡是10BASE-T,,而另一塊100BASE-TX,,兩者因為不兼容而無法通訊。

  九,、傳輸協(xié)議

  最初設(shè)計并沒有涉及一個可靠的端到端的信息傳送,。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)(兩個網(wǎng)絡(luò)互相通訊)的義務(wù)在第三層-網(wǎng)絡(luò)層。傳輸和互聯(lián)成為協(xié)議棧的一部分,,TCP/IP和SPX/IPX是常用的兩個協(xié)議,。這兩個協(xié)議并不能互相操作,所以以太網(wǎng)節(jié)點須使用兼容的協(xié)議,。由于TCP/IP在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用,,它成為主要協(xié)議,在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)也如此,。實際上,,TCP/IP是一組RFC定義的協(xié)議(requestforcomments),有很多年了,。除了以太網(wǎng),,TCP/IP還和別的數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)工作,,它位于物理層/數(shù)據(jù)鏈路層之上。傳輸層上,,有兩個重要的協(xié)議:TCP和UDP,。前者對接收的信息進行確認。兩者都很有用,。在協(xié)議棧的上層,,有多個有用的應(yīng)用層協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)使用。對于用戶來說,,編址是個重要的話題,。IP協(xié)議負責(zé)可能位于不同網(wǎng)絡(luò)中站點間數(shù)據(jù)包的路由。每個站點有唯一的32位地址(分別表示網(wǎng)絡(luò)地址,、主機地址),。地址以點分十進制四字節(jié)表示,。128.8.120.5是個有效的地址但無法確定何為主機,、何為網(wǎng)絡(luò)。地址分為五類,,地址分為A~E類,。通過觀察第一字節(jié)即可進行分類。IP的分配并不簡單,,通常由網(wǎng)管分配,。一旦分配好,就必須應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)中的各個站上,。IP地址分靜態(tài)和動態(tài)分配兩種,。動態(tài)分配由服務(wù)器進行。靜態(tài)分配由配置進行,。下列地址為私人地址,,在路由器上不能分配。因此,,它們在互聯(lián)網(wǎng)上沒有應(yīng)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地址和以太網(wǎng)MAC地址是不同的,不能混淆,。MAC地址由設(shè)備生產(chǎn)商分配,,所以是全球唯一的。IP地址是安裝時分配并根據(jù)需要進行重分配,。

  十,、應(yīng)用層協(xié)議

  確定所用的接頭、電纜,,采用集線器還是交換機,,分配了IP,就可以在站點間通訊了。現(xiàn)在需要考慮OSI高層的兼容性,。這兒推薦的工業(yè)自動化協(xié)議有Ethernet/IP,、iDA、PROFInet和Modbus/TCP,。這還不包括傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用-FTP,、SNMP、SMTP和TELNET,。用戶的設(shè)備可能并不支持這些協(xié)議,,所以需要理解自身系統(tǒng)的兼容性。



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