工業(yè)網(wǎng)絡中的快速Ethernet(05-100)

　　隨著人們希望和必須采用Internet 協(xié)議基通信的要求增加,對于工業(yè)Ethernet方案的需要也在增加。工業(yè)用戶不再僅僅滿足于RS-232或RS-485數(shù)據(jù)傳輸。他們需要Ethernet連接器帶來的好處。Ethernet把每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點視為IP地址或Web頁,使其成為工業(yè)用戶的理想通信平臺。隨著當今Ethernet成為最廣泛采用的可用網(wǎng)絡,將來工業(yè)網(wǎng)絡會包含更多的Ethernet。

　　工業(yè)Ethernet首要和最明顯的要求是它必須提供可靠和可測的數(shù)據(jù)傳遞。對于工業(yè)應用,在OSILayer1(物理層)和Layer2(數(shù)據(jù)鏈路)存在不同的問題和方案。網(wǎng)絡標準(如Modbus TCP/IP, Ethernet IP,Profibns)采用Layers3和熟悉的OSI網(wǎng)絡模式尋址可測的數(shù)據(jù)傳遞。可認為Ethernet為這些標準的使用工具,其最終應用決定最好的協(xié)議。

　　構成星配置

　　當Ethernet引入到工業(yè)裝置時,往往用星配置中現(xiàn)有的開關或插口,從多端口開關到很多終端分配信息包。用戶有時所需的節(jié)點多于多端口開關可得到的節(jié)點,或需要放置分布數(shù)據(jù)系集節(jié)點所處的距離大于開關處所提供的100米。銅線Ethernet(10BASE-T,100BASE-FX)標定信號傳輸距離為100米。

　　有時更長距離的傳輸采用光纖100BASE-FX,通常可擴展到2000米。替代傳統(tǒng)星配置的一種方法是增加Ethernet節(jié)點的一個菊花鏈網(wǎng)絡(圖1)。借助菊花鏈采用銅線網(wǎng)絡擴展距離,勝過安裝光纖基系統(tǒng)的成本問題。但是,有兩個問題需要解決。第一個問題是經(jīng)過多開關的數(shù)據(jù)延遲,第二個問題是安裝中環(huán)路產(chǎn)生的危險(這會導致網(wǎng)絡失效)。

 

　　圖1 傳統(tǒng)星配置與基于菊花鏈網(wǎng)絡點配置的比較

　　定時

　　在工業(yè)應用中,用較高級的協(xié)議(如IEEE1588)可能增加信息延遲和決定性的傳遞,在Ethernet網(wǎng)絡中采用UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)IP信息包。通常,感測節(jié)點用IEEE1588時鐘,有兩種方法：一種方法是在數(shù)據(jù)被采集時刻產(chǎn)生時間標記;另一種方法是比較IEEE1588時鐘時間與特定的觸發(fā)時間來產(chǎn)生一個采集觸發(fā)。總的來說,100Mbit/s Ethernet提供合適的吞吐量傳遞消息到時基,所以,理論上保證這種傳遞。

　　環(huán)路的引入在工業(yè)中也是一個可以解決的問題。若多通路中經(jīng)多余的消息通路導致在一個節(jié)點上重疊信息包的接收,則多通路可能使Ethernet網(wǎng)絡失效。基于此原因,在傳統(tǒng)Ethernet網(wǎng)絡中不允許環(huán)路和多余通路。然而,當今大多數(shù)智能開關采用跨越樹來從事多余通路和促使數(shù)據(jù)指向合適的方向。

　　跨越菊花鏈的樹結構

　　若在每個菊花鏈節(jié)點上實現(xiàn)跨越樹,則一個非常健全冗余Ethernet網(wǎng)絡采用的形式允許通路冗余。這使得工業(yè)網(wǎng)絡具有多個可用的通路,在任何時間僅有一個通路有效。跨越樹協(xié)議工作是靠閉鎖選擇的多余通路,但是,若斷開或切斷一條纜線,也能夠快速地改變通路,總的來說,節(jié)點級的跨越樹允許重新配置節(jié)點間的通路。