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(yīng)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(luò)標(biāo)準(zhǔn)(如Modbus TCP/IP, Ethernet IP,Profibns)采用Layers3和熟悉的OSI網(wǎng)絡(luò)模式尋址可測的數(shù)據(jù)傳遞。可認(rèn)為Ethernet為這些標(biāo)準(zhǔn)的使用工具,其最終應(yīng)用決定最好的協(xié)議。

構(gòu)成星配置

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

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

 

 　　圖1 傳統(tǒng)星配置與基于菊花鏈網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)配置的比較

定時(shí)

　　在工業(yè)應(yīng)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(luò)中采用UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)IP信息包。通常,感測節(jié)點(diǎn)用IEEE1588時(shí)鐘,有兩種方法：一種方法是在數(shù)據(jù)被采集時(shí)刻產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)記;另一種方法是比較IEEE1588時(shí)鐘時(shí)間與特定的觸發(fā)時(shí)間來產(chǎn)生一個(gè)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(shí)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(gè)可以解決的問題。若多通路中經(jīng)多余的消息通路導(dǎo)致在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上重疊信息包的接收,則多通路可能使Ethernet網(wǎng)絡(luò)失效。基于此原因,在傳統(tǒng)Ethernet網(wǎng)絡(luò)中不允許環(huán)路和多余通路。然而,當(dāng)今大多數(shù)智能開關(guān)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(jié)構(gòu)

　　若在每個(gè)菊花鏈節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)跨越樹,則一個(gè)非常健全冗余Ethernet網(wǎng)絡(luò)采用的形式允許通路冗余。這使得工業(yè)網(wǎng)絡(luò)具有多個(gè)可用的通路,在任何時(shí)間僅有一個(gè)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(diǎn)級的跨越樹允許重新配置節(jié)點(diǎn)間的通路。

　　用Micrel公司的KS8993M可以實(shí)現(xiàn)菊花鏈Ethernet節(jié)點(diǎn)。此器件由3個(gè)MAC(媒體接入控制器),2個(gè)PHY(物理層收發(fā)器)和完全非閉鎖開關(guān)組成。此器件通過第3個(gè)Ethernet MAC很容易連接到主控制器。采用這種方式時(shí),供第3端口用的Ethernet信息包分接到處理器,而剩余數(shù)據(jù)傳送到它的終端目標(biāo)。然后,主控制器可以執(zhí)行跨越樹協(xié)議,并從KS8993M MIB計(jì)數(shù)器讀出來確定最佳數(shù)據(jù)流。

 

 　　圖2 帶環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)

QoS和VLAN

　　3和5信道器件除跨越樹之外,也支持QoS(服務(wù)質(zhì)量)和VLAN(虛擬局域網(wǎng))性能。QoS允許服務(wù)分級及控制流出排隊(duì)和信息包離開優(yōu)先。QoS對于優(yōu)先關(guān)鍵數(shù)據(jù)的分類和流動(dòng)也是有用的。VLAN允許在單條纜線上有共存時(shí)分段傳送。這種分段降低了本地控制器的處理負(fù)擔(dān),確保它們不必參與不用做VLAN段的數(shù)據(jù)。VLAN的使用,便于工業(yè)節(jié)點(diǎn)類型(如報(bào)警、定時(shí)、運(yùn)行、溫度)的分組。

　　KS8993M也支持anto-MDI/MDI-X性能,允許采用直通CAT-5纜線或相交纜線。anto-MDI/MDI-X具有消除不合理安裝可能性的性能,不合理安裝可能性會(huì)發(fā)生在現(xiàn)場安裝工人連接相交纜線時(shí),此處需要一條直通纜線,允許路由器、開關(guān)或重疊頂端容易地連接到工業(yè)Ethernet節(jié)點(diǎn),而不用關(guān)心纜線型號。

　　隨著Ethernet進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的主流,制造商和安裝人員正在為環(huán)境要求(如可測性,精確定時(shí)、健全性、容易安裝)提供解決方案。這樣的網(wǎng)絡(luò)能提供比傳統(tǒng)工業(yè)通信協(xié)議更快的速度,而工業(yè)用戶通過IP通信可以接入各種服務(wù)。