在工業(yè)以太網的應用廣泛普及的今天，今天的控制系統和工廠自動化系統常常采用工業(yè)以太網技術完成工業(yè)控制任務，但是，IT工程師們對于工業(yè)以太網的了解往往局限于辦公自動化商業(yè)工業(yè)以太網，這就可能導致工業(yè)以太網在控制系統系統中實施的簡單化和商業(yè)化，不能真正理解工業(yè)以太網在工業(yè)現場的意義，也無法真正利用工業(yè)以太網內在的特殊功能，常常造成工業(yè)以太網現場實施的不徹底，給整個控制系統留下不穩(wěn)定因素。

    選擇正確的工業(yè)以太網要考慮哪些因素？簡單的來說，要從工業(yè)以太網通訊協議、電源、通信速率、工業(yè)環(huán)境認證考慮、安裝方式、外殼對散熱的影響、簡單通信功能和通信管理功能、電口或光口的考慮。這些都是*基本需要了解的產品選擇因素。如果對工業(yè)以太網的網絡管理有更高要求，則需要考慮所選擇產品的**功能如：信號強弱、端口設置、出錯報警、串口使用、主干(TrunkingTM)冗余、環(huán)網冗余、服務質量(QoS)、虛擬局域網(VLAN)、簡單網絡管理協議(SNMP)、端口鏡像等等其他工業(yè)以太網管理交換機中可以提供的功能。不同的控制系統對網絡的管理功能要求不同，自然對管理型交換機的使用也有不同要求?？刂乒こ處焸儜摳鶕湎到y的設計要求，挑選適合自己系統的工業(yè)以太網產品。

    由于工業(yè)環(huán)境對工業(yè)控制網絡可靠性能的超高要求，工業(yè)以太網的冗余功能應運而生。從快速生成樹冗余(RSTP)、環(huán)網冗余(RapidRingTM)到主干冗(TrunkingTM)，都有各自不同的優(yōu)勢和特點，控制工程師們可以根據自己的要求進行選擇。

工業(yè)以太網設備包括以下幾個重要部分。

工業(yè)以太網集線器

相信絕大多數人都熟悉集線器。很多人使用這種簡易設備去連接各種基于以太網的設備，如個人計算機，可編程控制器等。集線器接收到來自某一端口的消息，再將消息廣播到其它所有的端口。對來自任一端口的每一條消息，集線器都會把它傳遞到其它的各個端口。在消息傳遞方面，集線器是低速低效的，可能會出現消息沖突。然而，集線器的使用非常簡單－實際上可以即插即用。集線器沒有任何華而不實的功能，也沒有冗余功能。

工業(yè)以太網非管理型交換機

集線器的發(fā)展產生了一種叫非管理型交換機的設備。它能實現消息從一個端口到另一個端口的路由功能，相對集線器更加智能化。非管理型交換機能自動探測每臺網絡設備的網絡速度。另外，它具有一種稱為“MAC地址表”的功能，能識別和記憶網絡中的設備。換言之，如果端口2收到一條帶有特定識別碼的消息，此后交換機就會將所有具有那種特定識別碼的消息發(fā)送到端口2。這種智能避免了消息沖突，**了傳輸性能，相對集線器是一次巨大的改進。然而，非管理型交換機不能實現任何形式的通信檢測和冗余配置功能。

工業(yè)以太網管理型交換機

工業(yè)以太網連接設備發(fā)展的下一代產品是管理型交換機。相對集線器和非管理型交換機，管理型交換機擁有更多更復雜的功能，價格也高出許多－通常是一臺非管理型交換機的3～4倍。管理型交換機提供了更多的功能，通?？梢酝ㄟ^基于網絡的接口實現完全配置。它可以自動與網絡設備交互，用戶也可以手動配置每個端口的網速和**控制。一些老設備可能無法使用自動交互功能，因此手動配置功能是必不可缺的。

絕大多數管理型交換機通常也提供一些**功能，如用于遠程監(jiān)視和配置的SNMP(簡單網絡管理協議)，用于診斷的端口映射，用于網絡設備成組的VLAN(虛擬局域網)，用于確保優(yōu)先級消息通過的優(yōu)先級排列功能等。利用管理型交換機，可以組建冗余網絡。使用環(huán)形拓撲結構，管理型交換機可以組成環(huán)形網絡。每臺管理型交換機能自動判斷*優(yōu)傳輸路徑和備用路徑，當優(yōu)先路徑中斷時自動阻斷(block)備用路徑。

工業(yè)以太網管理型冗余交換機

**的管理型冗余交換機提供了一些特殊的功能，特別是針對有穩(wěn)定性、安全性方面嚴格要求的冗余系統進行了設計上的優(yōu)化。構建冗余網絡的主要方式主要有以下幾種，STP、RSTP；環(huán)網冗余RapidRingTM以及Trunking。

1工業(yè)以太網 STP及RSTP

STP(Spanning Tree Protocol，生成樹算法，IEEE802.1D)，是一個鏈路層協議，提供路徑冗余和阻止網絡循環(huán)發(fā)生。它強令備用數據路徑為阻塞(blocked)狀態(tài)。如果一條路徑有故障，該拓撲結構能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構。網絡中斷恢復時間為30-60s之間。RSTP(快速生成樹算法，IEEE802.1w)作為STP的升級，將網絡中斷恢復時間，縮短到1-2s。生成樹算法網絡結構靈活，但也存在恢復速度慢的缺點。

2 工業(yè)以太網環(huán)網冗余

為了能滿足工控網絡實時性強的特點，RapidRing孕育而生。這是在工業(yè)以太網網絡中使用環(huán)網提供高速冗余的一種技術。這個技術可以使網絡在中斷后300ms之內自行恢復。并可以通過工業(yè)以太網交換機的出錯繼電連接、狀態(tài)顯示燈和SNMP設置等方法來提醒用戶出現的斷網現象。這些都可以幫助診斷環(huán)網什么地方出現斷開。

RapidRingTM也支持兩個連接在一起的環(huán)網，使網絡拓樸更為靈活多樣。兩個環(huán)通過雙通道連接，這些連接可以是冗余的，避免單個線纜出錯帶來的問題。

3 工業(yè)以太網主干冗余

將不同交換機的多個端口設置為Trunking主干端口，并建立連接，則這些工業(yè)以太網交換機之間可以形成一個高速的骨干鏈接。不但成倍的**了骨干鏈接的網絡帶寬，增強了網絡吞吐量，而且還還提供了另外一個功能，即冗余功能。如果網絡中的骨干鏈接產生斷線等問題，那么網絡中的數據會通過剩下的鏈接進行傳遞，保證網絡的通訊正常。Trunking主干網絡采用總線型和星型網絡結構，理論通訊距離可以無限延長。該技術由于采用了硬件偵測及數據平衡的方法，所以使網絡中斷恢復時間達到了新的高度，一般恢復時間在10ms以下。

一、拓撲結構
      拓撲是網絡中電纜的布置。眾所周知，EIA-485或CAN采用總線型拓撲。但在工業(yè)以太網中，由于普遍使用集線器或交換機，拓撲結構為星型或分散星型。

二、接線
      工業(yè)以太網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。與多模光纖的內芯相比，單模光纖的內芯很細，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。在媒介相關接口（MDI）的定義中，這四個信號分別標識為RD+，RD-，TD+，TD-。

      
     一條通信鏈路由DTE（數據終端設備，如工作站）和DCE（數據通訊設備，如中繼器或交換機）組成。集線器端口標識為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標識即可。

四、工業(yè)以太網與普通商用以太網產品
      什么是工業(yè)以太網？技術上，它與IEEE802.3兼容，但設計和包裝兼顧工業(yè)和商業(yè)應用的要求。工業(yè)現場的設計者希望采用市場上可以找到的以太網芯片和媒介，兼顧考慮工業(yè)現場的特殊要求。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)現場控制柜內。第三是電源要求。許多控制柜內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。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?，F場的安全標準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)控制柜標準而樓宇系統采用的往往是煙霧標準。顯然低價的商用以太網集線器和交換機無法達到這些要求。

五、速度和距離
      討論共享型以太網的距離，不能忽略碰撞域（ CollisionDomain）的概念。

      
      共享型以太網或半雙工以太網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，否則數據會發(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收聽，確保在這一時間內沒有其它站點在進行同步傳送，*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。
      對工業(yè)以太網來說，10Mbps和100Mbps是*常用的。在10Mbps，全部采用雙絞線的以太網網絡中，與距離有關的概念有兩個，即網段（Segment）和網絡范圍(NetworkDiameter)。前者指連接兩個設備（集線器、交換機或主機）的距離，后者指網絡中兩個*遠端設備之間的距離。不管是10Mbps或100Mbps的網絡，網段的*遠距離不能超過100米?？紤]網絡延伸，*有用的規(guī)則就是5-4-3規(guī)則（僅僅針對10Mbps中繼器）。規(guī)則的內容如下：一個網絡*多有五個網段，四個中繼器，不多于三個的混合網段。混合網段指的是同軸總線網段（已淘汰）。由于雙絞線網段的*遠距離是100米，*大網絡（網絡范圍）就是500米。
      光纖網段的*遠距離可達2公里，但IEEE802.3標準規(guī)定，使用光纖，級聯數*多不能超過3個，且網絡末端需使用雙絞線，中間的兩個為光纖網段并保證每個網段不超過1公里。這樣，整個光纖網段長度限制在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（集線器）
     集線器是構成以太網拓撲的基本設備，為多端口設備，有四、八、十二口等，可級聯構成分散星型拓撲。
     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段傳播時累積。這些設備能偵測出不完整的數據包和沖突，并產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絡正常工作。
接口轉接器
     另一系列產品是接口轉接器，有時稱為收發(fā)器。它們將一種媒介轉為另一種媒介。*重要的轉換是雙絞線至光纖的轉換。由于很多集線器沒有光纖端口，接口轉接器就是用來支持網絡中光纖的應用的。這些設備在網絡中是透明。端口不存儲幀也不檢測碰撞，只是將一種媒介轉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絡的性能。與物理層設備－中繼型集線器不同，交換型集線器實際上是連接兩個數據鏈路的網橋，也就是說碰撞域在每個交換機端口進行了終結。所以，增加了交換機就擴展了網絡地理上的范圍，級聯交換機可以大規(guī)模地實現網絡擴展
      交換機比中繼型集線器復雜。雙絞線端口自動與附屬端口進行速率協商（10Mbps還是100Mbps）。**控制功能也通過協商進行。全雙工網段采用PAUSE方案，半雙工網段通常采用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設備的端口位置。交換機隨即產生一張端口地址表格并維護表的內容。從這時起，網絡通信**于與本次傳送有關的端口。由于同步的傳送無需任何操作即可在這些端口上實現，網絡的吞吐量**了。表的內容會根據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。如果網絡中都是交換機，則雙絞線網段保持100米，但級聯沒有限制。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**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絡分析儀觀測數據通訊。交換機則必須在某個端口實現廣播發(fā)送方能測量。作為網橋，交換機存儲、轉發(fā)整個數據幀并引起了數據的延遲。集線器接收網絡信號沒有數據延遲。交換機級聯還增加延時，因此，集線器和交換機在工業(yè)以太網中各有各的應用場合。

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（100Mbps）的關鍵。全雙工的鏈接網段不能超過兩個設備，可以是網卡或交換機端口。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。只有兩塊網卡時可以實施全雙工通訊，多于兩塊網卡時的全雙工方式，必須考慮交換機。
    10BASE-T、10BASE-FL有單獨的發(fā)送和接收通路，根據網卡或交換機端口的復雜性，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協議的方式發(fā)送幀。如果另一端設置在半雙工方式下，它會偵測出碰撞并引發(fā)其它問題出現，如CRC出錯，網絡的速度下降，快速以太網的優(yōu)勢消失。
      如前所述，由于碰撞的原因，100Mbps下的網絡范圍有所縮小。對于雙絞線網段和交換端口來說，網段的*長距離是#p#分頁標題#e#100米（在碰撞域范圍內）。問題是在光纖端口上，對于多模光纖來說，網段的長度是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），光纖網段的延伸才能達到極限。
     快速以太網方式下，推薦使用交換機技術。快速以太網下的光纖端口，建議使用全雙工。
八、自動協商
      隨著快速以太網使用廣泛、與傳統以太網相似的接線規(guī)則，IEEE802.3u建議自動配置快速以太網,使得傳統以太網端口能與其它快速以太網端口工作。該配置協議基于NationalSemiconductor’sNWay標準。雙絞線鏈路自動進行速度匹配，以利于數據通訊的進行。該方案適用于雙絞線鏈接。光纖的情況有所不同。盡管光纖在以太網的發(fā)展歷史中有非常重要的地位。但兩個光纖設備的速度無法進行自動協商，這是因為10BASE-FL設備工作在850nm，100BASE-FX工作在1300nm。兩者無法互操作。但是，對于自動協商協議而言，兩個光纖設備間的自協商是可行的（如果通訊沒有問題的話）。意識到這一點，新推出的100BASE-SX標準可以使850nm光纖在10Mbps或100Mbps下工作。100Mbps下網段的距離為300米。因此，安裝時請注意。光纖的速率通常是固定的，不實行協商。自動協商協議在雙絞線鏈路是成功的。自動協商的優(yōu)點在于它使用戶無需進行手工設置，完全由設備自身決定各自的技術水準。級別高低如下：

1000BASE-T 全雙工        高
1000BASE-T
100BASE-T2 全雙工
100BASE-TX 全雙工