工业网络中的快速Ethernet

随着人们希望和必须采用Internet 协议基通信的要求增加，对于工业Ethernet方案的需要也在增加。工业用户不再仅仅满足于RS-232或RS-485数据传输。他们需要Ethernet连接器带来的好处。Ethernet把每个数据采集节点视为IP地址或Web页，使其成为工业用户的理想通信平台。随着当今Ethernet成为最广泛采用的可用网络，将来工业网络会包含更多的Ethernet。
工业Ethernet首要和最明显的要求是它必须提供可靠和可测的数据传递。对于工业应用，在OSILayer1(物理层)和Layer2(数据链路)存在不同的问题和方案。网络标准(如Modbus TCP/IP, Ethernet IP,Profibns)采用Layers3和熟悉的OSI网络模式寻址可测的数据传递。可认为Ethernet为这些标准的使用工具，其最终应用决定最好的协议。

构成星配置
当Ethernet引入到工业装置时，往往用星配置中现有的开关或插口，从多端口开关到很多终端分配信息包。用户有时所需的节点多于多端口开关可得到的节点，或需要放置分布数据系集节点所处的距离大于开关处所提供的100米。铜线Ethernet（10BASE-T,100BASE-FX）标定信号传输距离为100米。
有时更长距离的传输采用光纤100BASE-FX，通常可扩展到2000米。替代传统星配置的一种方法是增加Ethernet节点的一个菊花链网络（图1）。借助菊花链采用铜线网络扩展距离，胜过安装光纤基系统的成本问题。但是，有两个问题需要解决。第一个问题是经过多开关的数据延迟，第二个问题是安装中环路产生的危险（这会导致网络失效）。

图1 传统星配置与基于菊花链网络点配置的比较

定时
在工业应用中，用较高级的协议（如IEEE1588）可能增加信息延迟和决定性的传递，在Ethernet网络中采用UDP（用户数据报协议）IP信息包。通常，感测节点用IEEE1588时钟，有两种方法：一种方法是在数据被采集时刻产生时间标记；另一种方法是比较IEEE1588时钟时间与特定的触发时间来产生一个采集触发。总的来说，100Mbit/s Ethernet提供合适的吞吐量传递消息到时基，所以，理论上保证这种传递。
环路的引入在工业中也是一个可以解决的问题。若多通路中经多余的消息通路导致在一个节点上重叠信息包的接收，则多通路可能使Ethernet网络失效。基于此原因，在传统Ethernet网络中不允许环路和多余通路。然而，当今大多数智能开关采用跨越树来从事多余通路和促使数据指向合适的方向。

跨越菊花链的树结构
若在每个菊花链节点上实现跨越树，则一个非常健全冗余Ethernet网络采用的形式允许通路冗余。这使得工业网络具有多个可用的通路，在任何时间仅有一个通路有效。跨越树协议工作是靠闭锁选择的多余通路，但是，若断开或切断一条缆线，也能够快速地改变通路，总的来说，节点级的跨越树允许重新配置节点间的通路。
用Micrel公司的KS8993M可以实现菊花链Ethernet节点。此器件由3个MAC（媒体接入控制器），2个PHY（物理层收发器）和完全非闭锁开关组成。此器件通过第3个Ethernet MAC很容易连接到主控制器。采用这种方式时，供第3端口用的Ethernet信息包分接到处理器，而剩余数据传送到它的终端目标。然后，主控制器可以执行跨越树协议，并从KS8993M MIB计数器读出来确定最佳数据流。

图2 带环路的网络

QoS和VLAN
3和5信道器件除跨越树之外，也支持QoS（服务质量）和VLAN（虚拟局域网）性能。QoS允许服务分级及控制流出排队和信息包离开优先。QoS对于优先关键数据的分类和流动也是有用的。VLAN允许在单条缆线上有共存时分段传送。这种分段降低了本地控制器的处理负担，确保它们不必参与不用做VLAN段的数据。VLAN的使用，便于工业节点类型（如报警、定时、运行、温度）的分组。
KS8993M也支持anto-MDI/MDI-X性能，允许采用直通CAT-5缆线或相交缆线。anto-MDI/MDI-X具有消除不合理安装可能性的性能，不合理安装可能性会发生在现场安装工人连接相交缆线时，此处需要一条直通缆线，允许路由器、开关或重叠顶端容易地连接到工业Ethernet节点，而不用关心缆线型号。
随着Ethernet进入工业应用的主流，制造商和安装人员正在为环境要求（如可测性，精确定时、健全性、容易安装）提供解决方案。这样的网络能提供比传统工业通信协议更快的速度，而工业用户通过IP通信可以接入各种服务。■（益林）