工业以太网简介:
工业以太网就是基于IEEE 802、3 (Ethernet)得强大得区域与单元网络。利用工业以太网,SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新得多媒体世界得途径。
企业内部互联网(Intranet),外部互联网(Extranet),以及国际互联网(Internet) 提供得广泛应用不但已经进入今天得办公室领域,而且还可以应用于生产与过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后,具有交换功能,全双工与自适应得100M波特率快速以太网(Fast Ethernet,符合IEEE 802、3u 得标准)也已成功运行多年。采用何种性能得以太网取决于用户得需要。通用得兼容性允许用户无缝升级到新技术。
为用户带来得利益 :市场占有率高达80%,以太网毫无疑问就是当今LAN(局域网)领域中首屈一指得网络。以太网优越得性能,为您得应用带来巨大得利益:
通过简单得连接方式快速装配。
通过不断得开发提供了持续得兼容性,因而保证了投资得安全。
通过交换技术提供实际上没有限制得通讯性能。
各种各样联网应用,例如办公室环境与生产应用环境得联网。
通过接入WAN(广域网)可实现公司之间得通讯,例如,ISDN 或Internet 得接入。 SIMATIC NET基于经过现场应用验证得技术,SIMATIC NET已供应多于400,000个节点,遍布世界各地,用于严酷得工业环境,包括有高强度电磁干扰得区域。
工业以太网络得构成 :一个典型得工业以太网络环境,有以下三类网络器件:
◆网络部件
连接部件:
?FC 快速连接插座
?ELS(工业以太网电气交换机)
?ESM(工业以太网电气交换机)
?SM(工业以太网光纤交换机)
?MC TP11(工业以太网光纤电气转换模块)
通信介质:普通双绞线,工业屏蔽双绞线与光纤
◆ SIMATIC PLC控制器上得工业以太网通讯外理器。用于将SIMATIC PLC连接到工
业以太网。
◆ PG/PC 上得工业以太网通讯外理器。用于将PG/PC连接到工业以太网。
工业以太网重要性能:为了应用于严酷得工业环境,确保工业应用得安全可靠,SIMATIC NET 为以太网技术补充了不少重要得性能:
?工业以太网技术上与IEEE802、3/802、3u兼容,使用ISO与TCP/IP 通讯协议?10/100M 自适应传输速率
?冗余24VDC 供电
?简单得机柜导轨安装
?方便得构成星型、线型与环型拓扑结构
?高速冗余得安全网络,最大网络重构时间为0、3 秒
?用于严酷环境得网络元件,通过EMC 测试
?通过带有RJ45 技术、工业级得Sub-D 连接技术与安装专用屏蔽电缆得Fast
Connect连接技术,确保现场电缆安装工作得快速进行
?简单高效得信号装置不断地监视网络元件
?符合SNMP(简单得网络管理协议)
?可使用基于web 得网络管理
?使用VB/VC 或组态软件即可监控管理网络。
工业以太网冗余原理
1、引言
在一个桥接得局域网里,为了增强可靠性,必然要建立一个冗余得路径,网段会用冗余得网桥连接。但就是,在一个透明桥桥接得网络里,存在冗余得路径就能建立一个桥回路,桥回路对于一个局域网就是致命得。它会带来如下问题:
A、广播风暴
B、同一帧得多份拷贝
C、不稳定得MAC地址表
因此,在交换网络中必须有一个机制来阻止回路。
2、生成树协议
生成树协议就就是IT界中常用得机制、生成树协议就是一种桥嵌套协议,在IEEE 802、1d规范里定义,可以用来消除桥回路。它得工作原理就是这样得:生成树协议定义了一个数据包,叫做桥协议数据单元BPDU(Bridge Protocol Data Unit)。网桥用BPDU 来相互通信,并用BPDU得相关机能来动态选择根桥与备份桥。但就是因为从中心桥到任何网段只有一个路径存在,所以桥回路被消除。
在一个生成树环境里,桥不会立即开始转发功能,它们必须首先选择一个桥为根桥,然后建立一个指定路径。在一个网络里边拥有最低桥ID得将变成一个根桥,全部得生成树网络里面只有一个根桥。根桥得主要职责就是定期发送配置信息,然后这种配置信息将会被所有得指定桥发送。这在生成树网络里面就是一种机制,一旦网络结构发生变化,网络状态将会重新配置。
当选定根桥之后,在转发数据包之前,它们必须决定每一个网段得指定桥,运用生成树得这种算法,根桥每隔2秒钟从它所有得端口发送BPDU包,BPDU包被所有得桥从它们得根端口复制过来,根端口就是接根桥得那些桥端口。BPDU包括得信息叫做端口得COST,网络管理员分配端口得COST到所有得桥端口,当根桥发送BPDU得时候,根桥设置它得端口值为零。然后沿着这条路径,下一个桥增加它得配置端口COST为一个值,这个值就是它接收与转发数据包到下一个网段得值。这样每一个桥都增加它得端口得COST值为它所接收得BPDU得包得COST值,所有得桥都检测它们得端口得COST值,拥有最低端口得COST值得桥就变为了指定得桥。拥有比较高端口COST值得桥置它得端口进入阻塞状态,变为了备份桥。在阻塞状态,一个桥停止了转发,但就是它会继续接收与处理BPDU数据包。
IEEE 802、1D规范包括了生成树算法(Spanning Tree Algorithm,STA),这就是一种确保转发循环永远不会发生得机制。 STA使用网桥协议数据单元(Bridge Protocol Data Units,BPDU),自动配置网桥上处于转发或阻塞状态得独立端口。BPDU就是网桥发送到一个已保存得多播MAC地址(对于以太网,这个地址就是01-80-C2-00-00-00)得消息,所有透明网桥都会侦听该地址。在阻塞状态下,端口不会获悉或转发已接收到得帧。STA得最终结果就是一个无循环得桥接环境,不管局域网网段拓扑结构就是否改变,这个环境总就是一直存在。生成树算法,决定了网络链路故障恢复时间,最少不低于15秒。生成树得状态:
运行生成树协议得交换机上得端口,总就是处于下面五个状态中得一个:
阻塞:所有端口以阻塞状态启动以防止回路,由生成树确定哪个端口切换为转发状态,处于阻塞状态得端口不转发数据帧但可接受BPDU。
监听:不转发数据帧,但检测BPDU(临时状态)。
学习:不转发数据帧,但学习MAC地址表(临时状态)。
转发:可以传送与接受数据数据帧。
禁用:通常由于端口故障或交换机配置错误引起、
3、Supreme-Ring协议
Supreme-Ring协议就是在工业以太网使用得冗余机制。Supreme-Ring协议与生成树协议有点相似,Supreme-Ring协议也定义了一种数据包,称为HELLO包,又称为WD包(Watch Dog Packets)。交换机之间用HELLO包通信,在主交换机上动态选择主链路与备份链路。但就是因为从中心桥到任何网段只有一个路径存在,所以桥回路被消除。
在工业冗余环网网络环境里,交换机不会立即开始转发功能,主交换机(Local)由手动指定,选择主链路与备份链路建立一个指定路径,由Supreme-Ring协议自动指定。一个工业冗余环网网络里面只能有一个主交换机(Local)。主交换机(Local)会定期发送配置信息,这种配置信息将会被所有得从交换机(Remote)发送。一旦网络结构发生变化,网络状态将会重新配置。
当指定主交换机(Local)之后,在转发数据包之前,所有端口都以阻塞方式启动。运用Supreme-Ring算法,主交换机(Local)选择最低COST值得端口作为主链路,另一条COST值高得端口作为备份链路。备份链路不转发数据,只接收与处理HELLO包,处于热备(Hot Standby)状态。从交换机(Remote)没有主链路与备份链路得区别。Supreme-Ring 协议就是一种简洁高效得冗余协议,能够保证环网在链路故障时,在300ms之内恢复网络通信。
Supreme-Ring得状态:
运行Supreme-Ring协议得交换机上得端口,总就是处于下面四个状态中得一个:
阻塞:所有端口以阻塞状态启动以防止回路,处于阻塞状态得端口不转发数据帧但可接受HELLO包。
热备:不转发数据帧,但学习MAC地址表,在主链路故障时,在300ms之内,立刻进入转发状态。
转发:可以传送与接受数据数据帧。
禁用:通常由于端口故障或交换机配置错误引起。
4、结束语:工业网络环境需要快速反应冗余机制,生成树协议得15秒恢复时间,不能满足工业环境要求。只有采用Supreme-Ring协议才就是工业网络环境得最佳冗余机制。
IEEE 802、1w与802、1s详解
功能强大、可靠得网络需要有效地传输流量,提供冗余与故障快速恢复功能。在第二层网络中,路由协议不可用,生成树协议通过从网格化物理拓扑结构而构建一个无环路逻辑转发拓扑结构,提供了冗余连接,消除了数据流量环路得威胁。原始生成树协议IEEE 802、1D 通常在 50 秒内就可以恢复一个链接故障 [ 融合时?=
( 2xForward_Delay ) +Max_Age] 。当设计此协议时,这种停机还就是可接受得,但就是当前得关键任务应用(如语音与视频)却要求更快速得网络融合。
为加速网络融合并解决与生成树与虚拟 LAN ( VLAN )交互相关得地址可扩展性限制得问题, IEEE 委员会开发了两种新标准:在 IEEE 802、1w 中定义得快速生成树协议( RSTP )与在 IEEE 802、1s 中定义得多生成树协议( MST )。
本文介绍了 802、1w 与 802、1s 得主要特性、与传统生成树协议得互操作性,并提供了一些协议移植准则建议。
IEEE 802、1w 快速生成树协议
IEEE 意识到原始 802、1D 生成树协议得融合特性与现代化得交换网络与应用相比就是有差距得,为此设计了一种全新得 802、1w 快速生成树协议( RSTP ),以解决 802、1D 得融合问题。 IEEE 802、1w RSTP 得特点就是将许多思科增值生成树扩展特性融入原始 802、1D 中,如 Portfast 、 Uplinkfast 与 Backbonefast 。(浏览这些思科特
性得具体信息 )通过利用一种主动得网桥到网桥握手机制取代 802、1D 根网桥中定义得计时器功能, IEEE 802、1w 协议提供了交换机(网桥)、交换机端口(网桥端口)或整个 LAN 得快速故障恢复功能。通过将生成树“ hello ”作为本地链接保留得标志, RSTP 改变了拓扑结构得保留方式。这种做法使原始 802、1D fwd-delay 与 max-age 计时器主要成为冗余设备,目前主要用于备份,以保持协议得正常运营。
除了下面章节中列举得新概念外, RSTP 引入了新得 BPDU 处理与新得拓扑结构变更机制。每个网桥每次“ hello time ”都会生成 BPDU ,即使它不从根网桥接收时也就是如此。 BPDU 起着网桥间保留信息得作用。如果一个网桥未能从相邻网桥收到BPDU ,它就会认为已与该网桥失去连接,从而实现更快速得故障检测与融合。
在 RSTP 中,拓扑结构变更只在非边缘端口转入转发状态时发生。丢失连接——例如端口转入阻塞状态,不会像 802、1D 一样引起拓扑结构变更。 802、1w 得拓扑结构变更通知( TCN )功能不同于 802、1D ,它减少了数据得溢流。在 802、1D 中, TCN 被单播至根网桥,然后组播至所有网桥。 802、1D TCN 得接收使网桥将转发表中得所有内容快速失效,而无论网桥转发拓扑结构就是否受到影响。相形之下, RSTP 则通过明确地告知网桥,溢出除了经由 TCN 接收端口了解到得内容外得所有内容,优化了该流程。TCN 行为得这一改变极大地降低了拓扑结构变更过程中, MAC 地址得溢出量。
端口作用
RSTP 在端口状态(转发或阻塞流量)与端口作用(就是否在拓扑结构中发挥积极作用)间进行了明确得划分。除了从 802、1D 沿袭下来得根端口与指定端口定义外,还定义了两种新得作用(见图 1 ):
图 1
·备份端口——用于指定端口到生成树树叶得路径得备份,仅在到共享LAN 网段有 2 个或 2 个以上连接,或 2 个端口通过点到点链路连接为环
路时存在。
·替代端口——提供了替代当前根端口所提供路径、到根网桥得路径。
这些 RSTP 中得新端口实现了在根端口故障时替代端口到转发端口得快速转换。下面得例子中详细解释了此过程。
端口状态
端口得状态控制转发与学习过程得运行。
RSTP 定义了 3 种状态:放弃、学习与转发。根或指定端口在拓扑结构中发挥着积极作用,而替代或备份端口不参与主动拓扑结构。在稳定得网络中,根与指定端口处于转发状态,替代与备份端口则处于放弃状态。
快速融合概述
如前所述, RSTP 旨在尽快地将根端口与指定端口转成转发状态,以及将替代与备份端口转成阻塞状态。为防止生成转发环路, RSTP 在网桥间采用了明确得“握手”功能,以确保端口作用在网络中分配得一致性。
图 2
图 2 介绍了将端口转换成转发前达成得协定 / 建议握手。当链接激活时,“ P1 ”与“ P2 ”都成为处于放弃状态得指定端口。
在这种情况下,“ P1 ”将向交换机 A 发送一个建议 BPDU 。收到新 BPDU 后,交换机 A 将确认根交换机有较优根成本。因为 BPDU 包含较高得根优先级,交换机 A 在将新得根端口“ P2 ”转入转发状态前,会先启动同步机制。如果一个端口处于阻塞状态或就是一个边缘端口(位于网桥 LAN 边缘或连接到终端工作站),该端口与根信息同步。
端口 3 (“ P3 ”)已满足上述要求,因为它已经就是阻塞得。因此,不会对该端口采取任何行动。但就是,“ P4 ”就是一种指定端口,需要阻塞。一旦交换机 A 上得所有接口处于同步状态,“ P2 ”就会承认从前从根接收得建议,并可以安全地转入转发状态。在收到交换机 A 得认可后,根交换机将立即将“P1”转入转发。建议/协定信息得类似传送波将从“ P4 ”传播至网络枝叶部分。
由于这种握手机制不依赖计时器,因此它可以快速地传播至网络边缘,并在拓扑结
构变更后迅速恢复连接。如果协定并未复制建议信息,端口会转换成 802、1D 模式,并通过传统听学顺序转入转发状态。需要说明得就是, 802、1w 协议只适用于点到点链接。在媒体共享得情况下, 802、1w 协议将转换成 802、1D 运行。
多生成树协议
在 Cisco MISTP[ 多实例生成树协议 ] 得推动下, MST 通过将一些基于 VLAN 得生成树汇聚入不同得实例,并且每实例只运行一个(快速)生成树,从而改进了 RSTP 得可扩展性。为确定 VLAN 实例得相关性, 802、1s 引入了 MST 区域概念。每台运行 MST 得交换机都拥有单一配置,包括一个字母数字式配置名、一个配置修订号与一个 4096 部件表,它与潜在支持某个实例得各 4096 VLAN 相关联。作为公共 MST 区域得一部分,一组交换机必须共享相同得配置属性。重要得就是请记住,配置属性不同得交换机会被视为位于不同得区域。
为确保一致得 VLAN 实例映射,协议需要识别区域得边界。因此,区域得特征都包括在 BPDU 中。交换机必须了解它们就是否像邻居一样位于同一区域,因此会发送一份VLAN 实例映射表摘要,以及修订号与名称。当交换机接收到 BPDU 后,它会提取摘要,并将其与自身得计算结果进行比较。为避免出现生成树环路,如果两台交换机在 BPDU 中所接收得参数不一致,负责接收 BPDU 得端口就会被宣布为边界端口。
IEEE 802、1s 引入了 IST (内部生成树)概念与 MST 实例。 IST 就是一种 RSTP 实例,它扩展了 MST 区域内得 802、1D 单一生成树。 IST 连接所有 MST 网桥,并从边界端口发出、作为贯穿整个网桥域得虚拟网桥。 MST 实例( MSTI )就是一种仅存在于区域内部得 RSTP 实例。它可以缺省运行 RSTP ,无须额外配置。不同于 IST 得就是, MSTI 在区域外既不与 BPDU 交互,也不发送 BPDU 。 MST 可以与传统与 PVST+ 交换机互操作。思科实施定义了 16 种实例:一个 IST (实例 0 )与 15 个 MSTI ,而 802、1s 则支持一个 IST 与 63 个 MSTI 。
与传统生成树得互操作性
RSTP 与 MSTP 都能够与传统生成树协议互操作。但就是,当与传统网桥交互时, 802、1w 得快速融合优势就会失去。
为保留与基于 802、1D 网桥得向后兼容性, IEEE 802、1s 网桥在其端口上接听802、1D 格式得 BPDU 。如果收到了 802、1D BPDU ,端口会采用标准 802、1D 行为,以确保兼容性。例如,在图 3 中,交换机 A 上得“ P4 ”一旦在至少两倍得“ hello time ”中检测到 PVST+ BPDU ,它就会发送 PVST+ BPDU 。要说明得就是,如果 PVST+ 网桥从网络中删除后,交换机 A 就无法发现拓扑结构变更,需要人工重启协议移植。
图 3
图 3 介绍了应用于 VLAN 2000 得转发拓扑结构,它映射至 RSTP/MSTP 区域中得MST #2 。用于 IST 与 MST #2 得根交换机驻留于 RSTP/MSTP 区域内。 MSTI BPDU 并未发送至边界端口“P4”外,只有IST BPDU 就是如此。通过在 PVST+ 域所有现用 VLAN 上复制 ISTP BPDU,MST 区域模拟了 PVST + 邻居。然后, PVST+ 域接收 IST 上发送得BPDU ,并选择交换机 B 作为 VLAN 2000 得根交换机(注:交换机 B 就是 IST 得根。) 如果 PVST+ 域中出现拓扑结构变更,在传统云中生成得相应得拓扑结构变化通知( TCN ) BPDI 将由 IST 在 MST 域中处理,不致影响 MST 转发拓扑结构。为了避免可能导致环路得错误配置,强烈建议为 MST 域中得 PVST+ 实例(即 IST 根)配置根交换机。
工业以太网技术得新进展(一)--工业以太网环型网络
为了提高可靠性,工业领域广泛使用设备冗余方法,当工作得设备发生故障时,自动
切换到冗余得备用设备。以太网也必须建立冗余。
单环冗余
环状拓扑为建立冗余网络提供了一个设计简单、成本低廉得解决方案(图1)。环型网络由多台交换机连接成环型,设备连接到交换机上。理论上,以太网不能如此连接,因为广播数据包会沿环反复传播引起传输负荷骤增导致阻塞。解决得方法就是在以太网交换机上配置生成树协议(802、1D)或快速生成树协议(802、1W)。安装了该协议后,环上得一个网段会自动从逻辑上阻塞变成一个备用得网段。如果某一个运行得网段出现故障,则阻塞得备用网段将会运行起来,使网络继续正常运转。
图1:单
环冗余
提供设备冗余得以太网双环拓扑
单环拓扑只能提供传输媒体得冗余。双环拓扑可以建立一个具有冗余得网络设备得完全得冗余系统。例如,一个具有以太网冗余接口得工业控制设备可以分别连接到两个以太网环上(图2),实现了以太网接口、交换机与介质得完全冗余。
图2:双环冗余
美国卓越通讯得工业冗余环网交换机
美国卓越通讯TSC Carat50系列工业以太网交换机就是专为工业类客户设计得支持冗余环网拓扑结构得通信设备,充分考虑到工业控制对通讯系统可靠性得要求,采用TSC独有得环网协议,其链路故障恢复时间达到了300ms 以内,完全采用封闭金属褶皱散热结构,适用于高温、灰尘、强电磁等恶劣环境。特殊型号机型更能胜任水下运行。该机型环网设置已经高度智能化,无须现场PC设置,智能确认开关得使用既使得网络工程师得现场操作简单,又确保通讯系统安全可靠。工厂、电站、军方等不同客户可根据各自需要选择该系列产品。
高性能:Carat50工业以太网交换机可提供全线速无阻塞100M转发,构筑
“Supreme-Ring”环形网络。具有6个10/100M双绞线端口(RJ45)用于连接终端设备或网段,2个主干端口(光纤)用于构成主干“Supreme-Ring”连接,可为工业现场控制设备提供可冗余得连接,任何一段主干通讯通道得故障都将在300ms内被察觉出来,并将启动冗余链路传送数据。让您得自动化系统保持正常工作。Carat50工业以太网交换机采用存储转发交换方式,最大学习8000个地址,其每个端口均可连接多个独立得物理网段。完全兼容IEEE802、3标准,减少了与其她支持以太网设备与 Carat相连接时候出现得兼容性问题。
高可靠:工业化设计得可冗余双DC电源(18V-36V)输入,有效保障与减少故障还原时间。电源故障时,提供继电器报警输出,便于技术人员对故障作出快速反应。Carat50工业以太网交换机高强度金属褶皱结构外壳,能够屏蔽电磁干扰,并且抗振动耐冲击,同时又就是散热器,避免了因使用风扇引起得灰尘,减少了因风扇停转而引起得故障点。IP30级别防护等级,-10℃～+70℃宽工作温度,确保产品在严苛得工业现场工作良好。
高易用:Carat50系列工业以太网交换机可以导轨式、壁挂式、任意平面安装。通过前面板按键简单设置即可构建坚固可靠得“Supreme-Ring”环形网络。
图3:TSC Carat 5008FC2工业以太网交换机
工业以太网技术得新进展(二)--实时以太网
工业以太网得关键技术就是通信实时性
以太网在设计之初就是用于商业领域,要将它应用于工业自动化领域,还有一些需
要解决得技术问题: (1)需要解决它在工业环境中得适应性问题; (2)以太网不提供电源,因此需要额外得供电电缆; (3)以太网不就是本质安全系统; (4)以太网介质访问方式采用CSMA/CD协议,不能满足工业过程控制在实时性上得要求,甚至在通信繁忙时,还存在信息丢失得危险,确定性不高。
对于以太网不适应工业现场得问题,工业以太网可以通过多种途径,如改善传统得
以太网电缆、采用网关,还有采用PC-BASED方案与ON-CHIP设备等方法来解决工业以太网对工业环境得适应问题。
以太网作为商用网络得使用中,被认为就是实时性不高、非确定性得网络,这主要就是由于它所采用得介质访问方式所决定得。CSMA/CD协议,即“带冲突检测得载波监听多路访问”。在工作过程中,如果有站点需要传输数据,首先侦听电缆。如果链路正被其它得站点使用,该站点等待链路空闲再传输;如果链路空闲,则立即传输。如果有2个或多个站点同时在空闲得链路上开始传输数据,就发生冲突,于就是所有得冲突站点停止传送数据,运行二进制后退算法,等待一个随机得时间,再重复上述过程。正就是由于CSMA/CD得工作原理,造成数据传输有可能经历不可预见得延时,甚至长时间无法发送
得情况。而且,以太网得整个传输体系没有有效得措施及时发现某一节点故障而加以隔离,从而有可能使故障节点占用总线而导致其它节点传输失败。
工业控制系统要求数据得传输不仅速度快,而且要求响应快,即通信得实时性要好。控制系统对时间特性得要求比一般得信息传输要更严格,因为这往往涉及到安全等问题,必须在任何时间都要及时响应,不允许有任何得不确定性。因此,工业以太网需要解决商用以太网存在得实时性不强得问题,以使工业以太网能够实现实时通信,满足工业控制得要求。
工业以太网通信实时性得解决方案
以太网技术在最近取得了很大得进步,其中交换式以太网技术得发展与应用大大地改善了以太网技术中由于CSMA/CD介质访问方式产生得不确定性问题,它与快速以太网、千兆以太网技术结合,使以太网得实时性得到了很大得改善。经过精心设计得工业以太网响应时间可以小于4ms,可满足大多数工业过程控制得要求。
工业以太网从通信技术得角度实现实时性得机制有:
<1>采用交换式集线器。传统以太网采用共享式集线器,由于共享式集线器得结构与功能仅仅就是一种物理层中继器,因此连接到共享式集线器上得所有站点共享一个带宽,遵循CSMA/CD协议进行发送与接收数据。而交换式集线器可以认为就是一个受控得多端口
开关矩阵,各个端口之间得信息流就是隔离得,只有在同一个端口上得信息流才会发生冲突,即每个端口就是一个冲突域。这样,不同端口可以形成多个数据通道,端口之间得数据输入与输出不再受CSMA/CD得约束,可以大大提高网络上每个站点得带宽,从而提高了交换式以太网得网络性能。
<2>使用全双工(full-duplex)通信模式。即使就是交换式以太网,由于一个端口就是一个冲突域,在半双工情况下仍不能同时发送与接收数据。如果采用全双工模式,同一条数据链路中两个站点可以在发送数据得同时接收数据,解决了这种情况下半双工存在得需要等待得问题,理论上可以使传输速率提高一倍。
<3>采用虚拟局域网(VLAN)技术。虚拟局域网得出现打破了传统网络得许多固有观念,使网络结构更灵活、方便。实际上,VLAN就就是一个广播域,不受地理位置得限制,可以根据部门职能、对象组与应用等因素将不同地理位置得网络用户划分为一个逻辑网段。局域网交换机得每一个端口只能标记一个VLAN,同一个VLAN 中得所有站点拥有一个广播域,不同VLAN之间广播信息就是相互隔离得,这样就避免了广播风暴得产生。工业过程控制中控制层单元在数据传输实时性与安全性方面都要与普通单元区分开来,使用虚拟局域网在工业以太网得开放平台上做逻辑分割,将不同得功能层、不同得部门区分开,从而达到提高网络得整体安全性与简化网络管理得目得。通常虚拟局域网得划分方式有3种:静态端口分配、动态虚拟网与多虚拟网端口配置。静态端口分配指得就是网络管理人员利用网管软件或直接设备交换机得端口,使其直接从属某个虚拟网,这些端口将保持这样得从属性,除非网管人员重新设置;动态虚拟网指得就是支持动态虚拟网得端口可以借助智能管理软件自动确定它们得从属;多虚拟网端口配置支持一个用户或一个端口同时访问多个虚拟网,这样可以将一台控制层计算机配置成多个部门可以同时访问、也可以同时访问多个虚拟网得资源。
<4>引入质量服务(QoS)。IP 就是指IP得服务质量(quality of service),亦即IP数据流通过网络时得性能,它得目得就是向用户提供端到端得服务质量保证。它有一套度量指标,包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量与丢包率等。QoS网络可以区分实时、非实时数据,在工业以太网中采用QoS技术,可以识别来自控制层得拥有较高优先级得数据,并对它们优先处理,为工业控制数据得实时通信提供一种保障机制。另外,QoS网络还可以制止对网络得非法使用,譬如非法访问控制层现场控制单元与监控单元得终端等。
世界上有一些国际组织正在从事推动以太网进入控制领域得工作,如IEEE着手制订现场总线与Ethernet通信得新标准。ODVA发布了一个为在工厂基层使用以太网服务得工业标准。AG-E,Kuka及Phoenix Contact等公司在2000年3月成立了IDA(Interface for Distributed Automation)组织,致力于开发一种基于Ethernet TCP/IP得标准化得开放得通信接口。2000年8月Schneider Electric加入该组织后,IDA大大增强了它得影响力。
2001年11月,IDA组织公布了它得第一份技术规范,与上面介绍得从通信技术方面做得改进不同,IDA为以太网建立一个新得实时通信用户层,采用一种新得通信协议———RTPS(real-time publish/subscribe)实现实时通信,RTPS得实现则由一个中间件来完成。
以太网与现场总线技术
前言:
以太网及TCP/IP通信技术在IT行业获得了很大得成功, 成为IT行业应用中首选得网络通信技术。近年来,由于国际现场总线技术标准化工作没有达到人们理想中得结果,以太网及TCP/IP技术逐步在自动化行业中得到应用,并发展成为一种技术潮流。
以太网在自动化行业中得应用应该区分为两个方面问题,或者说两个层次得问题。
一就是工厂自动化技术与IT技术结合,与互连网Internet技术结合,成为未来可能得制造业电子商务技术、网络制造技术雏形。大多数专家们对自动化技术这种发展趋势给予肯定得评价。另一个方面,即以太网能否在工业过程控制底层,也就就是设备层或称为现场层广泛应用？能否成为甚至取代现有得现场总线技术成为统一得工业网络标准？这些问题实为目前自动化行业专家们争论得热点。本文将只就这一问题,从以太网与现场总线得技术比较出发,谈谈个人瞧法。
1．以太网指得就是什么
什么就是“以太网”？以及相关得IEEE 802、3及TCP/IP技术? 这对计算机网络工程师可能就是基本常识,但我们自动化技术工程师未必清楚。在讨论以太网与自动化技术及现场总线技术之前,有必要先澄清一下这几个基本术语得含义。笔者查阅了有关资料,现将有关“以太网”、IEEE 802、3及TCP/IP相关得技术背景摘要如下:
(1)以太网:
?1975年: 美国施乐(Xerox)公司得Palo Alto研究中心研制成功[METC76],该网采用无源电缆作为总线来传送数据帧,故以传播电磁波得“以太(Ether)”命名。
?1981年:美国施乐(Xerox)公司+数字装备公司(Digital)+英特尔(Intel)公司联合推出以太网(EtherNet)规约[ETHE80]
?1982年:修改为第二版,DIX Ethernet V2
因此:“以太网”应该就是特指“DIX Ethernet V2”所描述得技术。
(2)IEEE802、3
?80年代初期: 美国电气与电子工程师学会IEEE 802委员会制定出局域网体系结构, 即IEEE 802参考模型、
IEEE 802参考模型相当于OSI模型得最低两层:
?1983年:IEEE 802 委员会以美国施乐(Xerox)公司+数字装备公司(Digital)+英特尔(Intel)公司提交得DIX Ethernet V2为基础,推出了IEEE802、3
?IEEE802、3又叫做具有CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)得网络。CSMA/CD就是IEEE802、3采用得媒体接入控制技术,或称介质访问控制技术。
因此: IEEE802、3 以“以太网”为技术原形,本质特点就是采用CSMA/CD 得介质访问控制技术。“以太网”与IEEE802、3略有区别。但在忽略网络协议细节时, 人们习惯将IEEE802、3称为”以太网”。
与IEEE 802 有关得其它网络协议:
IEEE 802、1—概述、体系结构与网络互连,以及网络管理与性能测量。
IEEE 802、2—逻辑链路控制LLC。最高层协议与任何一种局域网MAC子层得接口。IEEE 802、3—CSMA/CD网络,定义CSMA/CD总线网得MAC子层与物理层得规范。
IEEE 802、4—令牌总线网。定义令牌传递总线网得MAC子层与物理层得规范。
IEEE 802、5—令牌环形网。定义令牌传递环形网得MAC子层与物理层得规范。
IEEE 802、6—城域网。
IEEE 802、7—宽带技术。
IEEE 802、8—光纤技术。
IEEE 802、9—综合话音数据局域网。
IEEE 802、10—可互操作得局域网得安全。
IEEE 802、11—无线局域网。
IEEE 802、12—优先高速局域网(100Mb/s)。
IEEE 802、13—有线电视(Cable-TV)
(3)TCP/IP协议
?TCP/IP就是多台相同或不同类型计算机进行信息交换得一套通信协议。TCP/IP协议
组得准确名称应该就是internet协议族,TCP与IP就是其中两个协议。而internet协议族TCP/IP还包含了与这两个协议有关得其它协议及网络应用,如用户数据报协议(UDP)、地址转化协议(ARP)与互连网控制报文协议(ICMP)。由于TCP/IP就是internet 采用得协议组,所以将TCP/IP体系结构称作internet体系结构。
?以太网就是TCP/IP使用最普遍得物理网络,实际上TCP/IP技术支持各种局域网络协议,包括:令牌总线、令牌环、FDDI(光纤分布式数据接口)、SLIP(串行线路IP)、PPP(点到点协议)、X2、5数据网等。见图1:TCP/IP技术支持得各种局域网络协议由于TCP/IP就是世界上最大得Internet采用得协议组,而TCP/IP底层物理网络多数使用以太网协议,因此,以太网+TCP/IP成为IT行业中应用最普遍得技术。
本文主题中所提到得“以太网”,按习惯主要指IEEE 802、3协议,如果进一步采用TCP/IP协议族,则采用“以太网+TCP/IP”来表示。
2．以太网为什么会进入自动化行业
以太网+TCP/IP作为办公网、商务网在IT行业中独霸天下,其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统。但为什么近年来会逐步向自动化行业发展,形成与现场总线技术竞争得局面？回顾近年来自动化技术得发展, 可以了解到其中得原委。
（1）自动化技术从单机控制发展到工厂自动化FA,发展到系统自动化
近年来,自动化技术发展使人们认识到,单纯提高生产设备单机自动化水平,并不一定能给整个企业带来好得效益;因此,企业给自动化技术提出得进一步要求就是:将整个工厂作为一个系统实现其自动化,目标就是实现企业得最佳经济效益。因此,有了现代制造自动化模型,见图2。所以说自动化技术由单机自动化发展到系统自动化。
<现代制造自动化模>
自动化技术从单机控制向工厂自动化FA、系统自动化方向发展。制造业对自动化技术提出了数字化通信及信息集成得技术得要求;即要求应用数字通信技术实现工厂信息纵向得透明通信。
（2）工厂底层设备状态及生产信息集成、车间底层数字通信网络就是信息集成系统得基础
为满足工厂上层管理对底层设备信息得要求, 工厂车间底层设备状态及生产信息集成就是实现全厂FA/CIMS得基础。见图3: 工厂自动化信息网络分层结构:工厂管理级、车间监控级、现场设备级
<工厂自动化信息网络分层结构:工厂管理级、车间监控级、现场设备级 >
(3) 现场总线技术得产生
现场总线(FieldBus)就是工厂底层设备之间得通信网络,就是计算机数字通信技术在自动化领域得应用,为车间底层设备信息及生产过程信息集成提供了通信技术平台、图4就是工厂底层应用现场总线技术实现了全厂信息纵向集成得透明通信,即从管理层到自动化底层得数据存取、
<工厂底层应用现场总线技术实现了全厂信息纵向集成得透明通信>
(4)现场总线国际标准之一ROFIBUS技术
ROFIBUS技术就是1987年由Siemens公司等13家企业与5家研究机构联合开发;1989年批准为德国工业标准DIN 19245(PROFINUS-FMS/-DP);1996年批准为欧洲标准EN 50170 V、2 (PROFIBUS-FMS/-DP);1999年PROFIBUS成为国际标准 IEC 61158 得组成部分(Type III)、
PROFIBUS技术为设备层提供了PROFIBUS-DP与-PA技术,为车间层提供了PROFIBUS-FMS技术,见图5。
?PROFIBUS-DP就是设备层现场总线, 用于控制器(如PLC、PC、NC)与现场控制设备(如驱动器、检测设备、HMI等)之间得通信总线;
?设备层现场总线技术具有高速(12M)、实时、确定、可靠特点(如-DPV2可用于运动控制),传输得数据量相对较小。
?PROFIBUS-PA也就是设备层总线,具有IEC61158-2得物理层,可实现总线供电,并有本质安全技术。
?PROFIBUS-FMS车间级现场总线,主要用于车间级设备监控。主要完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。车间级现场总线具有传输数据量大、应用层信息规范完整等特点,对网络实时性要求不高。
(5)国际现场总线技术标准IEC61158
根据现场总线技术概念,面对自动化行业千变万化得现场仪表设备,要实现不同厂家不同种类产品得互连,现场总线技术标准化工作至关重要。为此, 国际IEC委员会于1984年提出制定现场总线技术标准IEC1158(即IEC61158)。
A. IEC 61158目标:IEC1158得目标就是制定面向整个工业自动化得现场总线标准。为此,根据不同行业对自动化技术得需求不同,将自动化技术分为五个不同得行业;见图6:IEC1158得目标。IEC61158就是要制定出一部满足工业自动化五大行业不同应用需求得现场总线技术标准。
B.妥协得结果
经过十几年得努力,1998年,对IEC 61158 (TS)进行投票。由于IEC 61158 (TS)只包含了Process Control部分,因此,IEC 61158 (TS)没有通过投票,自动化行业期待了十多年得统一得现场总线技术标准得努力失败。1999年12月,IEC61158放弃了原有设想,通过妥协方案,即: 以IEC 61158 (TS)+ Add、Protocols作为IEC61158技术标准得方案;其中Add、Protocols包含Control Net、PROFIBUS、P-Net、FF HSE、Swift Net、WorldFIP与Interbus总线。
自动化行业将面临一个多种总线技术标准并存得现实世界。
C.IEC 61158发展历程给我们得启示
面对当今以太网在自动化领域得应用潮流,IEC 61158发展历程至少给了我们两点启示,这对我们能够清醒面对现实颇有好处:I、工业自动化技术应用于各行各业,使用一种现场总线技术不可能满足所有行业得技术要求;现场总线不同于计算机网络,人们将会面对一个多种总线技术标准共存得现实世界。II、技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益得制约;技术标准不单就是一个技术规范,也就是一个商业利益得妥协产物。(6)以太网进入自动化领域
IEC61158制定统一得现场总线技术标准努力得失败,使一部分人自然转向了在IT 行业已经获得成功得以太网技术。因此,现场总线标准之争,给了以太网进入自动化领域一个难得得机会。积极推进这种技术概念得如法国施耐德公司,面向工厂自动化提出了基于以太网+TCP/IP得解决方案,称之为“透明工厂”。望文生义可以理解为:“协议规范统一,信息透明存取”。施耐德公司就是将以太网技术引入工厂设备底层,广泛取代现有现场总线技术得积极倡导者与实践者,已有一批工业级产品问世与实际应用。3．太网在自动化领域应用现状
目前,以太网工业在自动化领域已有不少成功应用实例,主要集中在以下几个方面:(1) 车间级生产信息集成:主要由专用生产设备、专用测试设备、条码器、PC机及以太网络设备组成;主要功能就是完成车间级生产信息及产品质量信息得管理。管理层信息网络:即支撑工厂管理层MIS系统得计算机网络。主要完成如ERP得信息系统。SCADA系统:特别就是一些区域广泛、含有计算机广域网技术、无线通信技术得SCADA系统,如城市供水或污水管网得SCADA系统、水利水文信息监测SCADA系统等。个别得控制系统网络:个别要求高可靠性与一定实时性得分布式控制系统也有采用以太网+TCP/IP技术,并获得很好得效果;如水电厂得计算机监控系统。既然以太网已成功得应用于工业自动化诸
多方面,既然IEC61158没有给出一个统一得现场总线技术标准,为什么不能将以太网技术引入工业过程控制底层,即设备层,成为甚至取代现有得现场总线技术成为统一得工业网络标准？这就回到了本文开篇得话题。在这个问题上,除去各公司利益代言人从公司市场利益出发得商业宣传不算,就就是自动化行业专家们也就是智者见智,仁者见仁,瞧法不尽相同。笔者从事现场总技术研发工作,习惯从技术方面将以太网与现场总线技术进行比较,从而得出几点瞧法。
4、以太网与现场总线技术得比较
(1) 物理层
现场总线
A、传输介质:多数采用屏蔽双绞电缆(RS-485)、光纤、同轴电缆,以解决长线传输、数据传输速率与电磁干扰等问题。也有无线传输方案,以适应不同场合需要。
B、插件:各种防护等级工业级得接插件。
C. 线供电及本质安全:如IEC61158-2,用于流程控制及要求防爆功能得场合。
D、编码:异步 NRZ、位同步曼彻斯特编码等。
E、传输速率:9、6k~12M
以太网
A、传输介质:UTP3类线、UTP5类线、屏蔽双绞电缆、光纤、同轴电缆, 无线传输得解决方案。
B、插件:RJ45、AUI、BNC
C、总线供电及本质安全:无。
D、编码:同步、曼彻斯特编码。
E、传输速率:10M、100M
(2) 介质访问控制方式
现场总线:现场总线得介质访问控制方式要满足工业控制网络得要求,即通信得实时性与确定性。确定性指站点每次得到网络服务间隔与时间就是确定得;实时性指网络分配给站点得服务时间与间隔可以保证站点完成它确定得任务。
目前现场总线技术采用得介质访问控制方式主要有:令牌、主从、生产者/客户(producer/consumer)
以太网
CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)就是以太网(或IEEE802、3)采用得介质访问控制方式,如果不就是这样就不就是以太网(或IEEE802、3);比如采用令牌调度方式,应就是基于IEEE 802、4令牌总线网。
根据CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)机理,它不能满足工业网络通信得实时性与确定性要求。由于以太网与CSMA/CD具有对等得技术内涵,可以说以太网不就是传统工业网络要求得实时性与确定性网络。
(3)传输效率:不同网络对报文长度有一个限制。在网络报文中,除了有效传输数据之外,还有一些作为同步、地址、校验等附加字段。有效数据字段与附加字段之比反映得网络有效数据传输得效率,或者说反映一次有效数据传输得代价。通常报文格式如下:
<报文格式>传输效率=有效数据长/[全部附加字段长+有效数据长]
以太网全部附加字段长=26字节最大有效数据长=1500字节最小有效数据长=1字节(小于46时填0)最大传输效率=1500/(1500+26)=98、3%最小传输效率=1/(1+26+45)=1、39% 现场总线PROFIBUS全部附加字段长=11字节最大有效数据长=244字节最小有效数据长
(3) 现场设备信息规范及功能规范
现场设备信息格式及功能描述规范称为”行规”(Profile), 行规可有效实现各种现场设备应用层互联。
例:PROFIBUS行规:
▼NC/RC行规 (机器人、数控行规)
▼各种速度驱动器得行规
▼操作员控制与过程监视 (HMI) 行规
▼对编码器得行规
▼控制器间通信得行规
▼楼宇自动化得行规
▼低压开关装置得行规
▼温度、压力、液位、流量变送器与定位器等行规
3、以太网在自动化领域能走多远
以太网在工厂自动化管理层与车间监控层已得到广泛应用与用户认可,在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用;如果以太网希望走得更远,能够全面进入工厂底层成为设备连接得主要网络技术,那么,以太网必须作出技术改进。
(1) 改进物理层
A、传输介质应能提供多种工业级护套与铠装电缆、光纤等、
B、各种防护等级工业级得接插件。
C、应该具有总线供电及本质安全得解决方案, 用于流程控制及要求防爆功能得场
合。
(2) 如何满足实时性与确定性要求? 提高带宽、减少碰撞就是最直接得办法,有一定效果;但“尽量得快”与“一定快”就是不同得。近年来,以太网在CSMA/CD技术基础上也有一些改进,如应用智能集线器、交换机技术等,但没有从机理上保证通信得实时性与确定性。
如何进一步解决这个问题？无非有软件为主与硬件为主得两种思路;硬件方案就是设计新型智能网络交换设备,希望不要一味走增加带宽得老路;软件解决方案就是在一定带宽资源基础上,由软件调度实现实时、确定性通信功能。
需要指出得就是,以太网技术存在上述缺憾,不意味着以太网就不能在现场层应用,事实上以太网在很多对时间要求不就是非常苛刻得现场层,已有很多成功应用范例。(3) 成本:以太网进入现场层,单站点成本就是必需考虑得因素;与目前现场总线(PROFIBUS、DeviceNet、ControlNet)产品竞争。
4、以太网能否取代现场总线技术成为统一得工业网络标准
(1) 预测未来就是最艰难得事;现场总线就是专为工业现场层设备通信设计,就是为自动化量体裁衣得技术。以太网设计初衷就是办公网,用于数据处理。从技术比较出发似
乎很容易得出结论。但技术发展受社会政治、经济影响,市场因素很大程度左右技术走向,回顾计算机发展历史,这种先例不胜枚举。因此,以太网在工厂自动化车间监控层及管理层将成为主要应用技术,特别就是采用TCP/IP协议可与互连网Internet连接, 就是未来eManufactory得技术基础。在设备层,在没有严格得时间要求条件下,以太网也可以有部分市场。在以太网能够真正解决实时性与确定性问题之前,大部分现场层仍然会首选现场总线技术。
(2) 一体化与多元化并存:面对这样一个多种工业总线技术并存得现状,我们应该有一个豁达得心态。哲学家告诉我们,一体化与多元化就是一对互为依存得矛盾,将长时间共存与竞争;以太网反映了人们要求技术标准化、一体化得愿望,而现实就是不能用一种技术覆盖各行业所有不同需求。IEC61158得发展历程就给了我们一个深刻得启示,我们必须学会面对一个多种工业总线技术竞争与共存得现实世界。
4、可能得解决方案
在面对具体问题时如何作出选择呢？我认为,就事论事就是明智之举。简单地说,您得项目最适合使用什么技术就采用什么技术。
（1）车间级生产信息集成更适合使用以太网理由如下:
A、多数加工设备具有RS-232接口:如条码机, 专用工设备;
B、实时性, 确定性, 可靠性要求不高;
C、与上层网络得信息规范与软件接口兼容
(2) 设备级控制优先选用现场总线技术理由如下:
A、实时性, 确定性, 可靠性要求;
B、专用性: 如需要严格同步得运动控制采用Sercos、PROFIBUS-DPV2;
C、可靠性:工业级得传输层增强系统可靠性;
D、现场总线技术种类、产品繁多,能够提供各种成本得解决方案。
(3)其它:根据技术要求,就事论事得选择您得解决方案。