簡介 以太網已經獲得巨大的成功，并且被公司和大學辦公室所接受，現在正逐步的拓展有更多需求的工業環境應用。以太網的吸引力包括監視數據傳輸，被用來建立和配置設備的現存實用工具（如Telnet） ，還有可以從某個中心位置可以安裝控制設備的程序的能力。這些類型的應用經常使用在“管理層”，盡管以太網同時也在逐漸的滿足“設備層”的應用。 這包括使用TCP/IP的以太網連接賴傳輸控制信號，比如在機器人技術中，操作高速排列的設備和SCADA(管理控制和數據采集)的應用。 在這篇文章中，我們討論以太網的一些基本特性，它是如何應用到工業環境中，然后考慮一下以太網交換機在幫助確保數據通過網路傳輸中起到的是什么特別角色。 什么阻止了以太網向工業環境發展？ Towards a more deterministic Ethernet—Switches to the rescue What makes an Ethernet Switch Industrial? Who needs an Industrial Ethernet Switch? Summary 什么阻止了以太網向工業環境發展？ 如最初所說的一樣，以太網的半雙工，且并存于總線拓撲，導致了“不確定“的數據傳輸接口，而這樣的以太網就意味著某些類型的“沖突檢測和避免”機制（這個技術術語就是：CSMA/CD，或者是帶碰撞檢測的多路載波存取）需要建立相應規格。 這自然使更加簡單和更加熟悉的RS-232接口有著強烈的呼聲，并且理由之一是工控行業的使用者贊同任何有專利的接口而避免使用以太網。但是，現今的以太網絡是全雙工的，且存在于星形的網絡拓撲，盡管CSMA/CD仍然存在其間，100Mbps傳輸網絡和高速的以太網交換機的越來越多的使用將設備隔離在相互獨立的碰撞域，在以太網中產生了確定型的傳輸。 另一個阻礙以太網在工業環境中使用的原因是以太網設備最初是和PC一起發展的。意思是，以太網設備被希望于能在和PC所工作的環境一樣出色的工作，比如在家中，辦公室里或者在氣溫可調節的機房里。這意味著存在一條規則，商用的以太網設備如果工作在有更多需求的工業環境中是不完全可靠的。 向有更多確定性的以太網交換機尋求解決辦法 這就可以圍繞由CSMA/CD帶來的確定性問題尋找解決辦法。首先是數據在網絡設備間的傳輸方式。以太網通常都是半雙工，這就是說一個網絡設備不能同時進行收發數據。然而，現在的以太網是全雙工的工作模式，允許以太網卡在接收數據的時候同時可以發送數據（或者相反）。 這種情形經常表現為全雙工的10Mbps，操作在相當于20Mbps的速率下，因為每個方向的傳輸速率都在10Mbps。 另一種減少數據幀碰撞機會的方法是盡量使同一網絡中設備的數量最小。為什么會有這個滿意的效果是很明顯的。越少的設備傳輸數據即為在同一時間更多的設備企圖傳輸數據的機會更少。 第三種解決方法是確定性問題，并且這節標題的重點是用以太網交換機將少量的設備隔離起來形成所謂的“碰撞”域。交換機是有多個內建的以太網端口和自己的處理器的專門的連接盒。交換機接收到數據幀，將轉發給交換機的每個端口，但是當交換機知道哪個MAC地址對應哪個端口時， 它將只轉發數據幀給數據目標地址所對應的端口。 舉個例子，假設一個網絡有500個主機，大家都競爭使用同一個網絡。因為有這么多的主機，那就很有可能2個主機同時傳輸數據。現在假想一下，我們使用以太網交換機將網絡中的10臺設備隔離成自己的“沖突域”。效果就是大量減少了從10個計算機發出的消息或者到達這10個計算機的碰撞的機會。實際上，把嚴格控制的設備放在自己的沖突域中，發生沖突的機會將幾乎減少為零。 什么促使了以太網交換機工業化 當以太網從辦公室轉移到工廠的時候，記住大部分商用網絡設備都是為舒適的辦公室環境和溫度可控的機房而設計的，這點非常重要。這意味著如果您購買了以太網設備，比如集線器和交換機，這些設計者的原意是為辦公環境而設計使用的，但是您卻把它們使用在高溫的和灰塵眾多的工廠中，設備可能完全部能工作，或者只能工作很短一段時間。 事實上，全新的工業已經開始提供為專門工作在極端環境下設計和測試的以太網產品。正如上面暗示的，典型的工廠環境就是高溫，潮濕，灰塵很多，并且油性很大的。但是故事并沒有在這兒中止，您還可以在室外發現一些極端的情況。有些環境有在一年的 時間里很大的溫差變化： -30°C 到 +50°C。工業以太網設備的特性通常有下列事實為證： 產品被設計成能夠經受的住極端的溫度變化（通常從 -20°C到 70°C）。外型被設計成能夠抵擋住外界的干擾，且經常能夠把產品非常敏感的內部的高溫直接進行自然冷卻 產品使用了高質量和高可靠性的元器件（如，工業設備不使用風扇和電解電容，這些都用在商用的交換機上，因為這些元器件由于他們的使用壽命不長帶來了不可靠性)。 誰會需要工業以太網交換機呢？ 許多重要的應用都受益于工業以太網的使用。現列舉一部分如下： 將工廠的設備層和辦公室的計算機隔離開 想起以太網的一個方法就是把它當作“巨大的均衡器“。有一個非常真實的感覺， 那就是所有的設備（包括PC，服務器，PLC，傳感器，執行器等）都以相同的等級連接到同一個網絡上。這是因為 存在一個嚴格的控制每次傳輸的數據量， 透過以太網進行發送和接收都是先到先服務。把工廠的計算機和設備連接到同一個LAN讓工程師可以通過因特網進行存取操作，并且允許工廠和商務辦公室可以通過e-mai保持聯絡。同樣它也給了商務辦公室和MIS人員對工廠層的網絡運行狀況進行監視的選擇。所有的內部連接的缺點就是在控制設備間的數據的進出非產容易的 陷入到e-mail，ICQ的運行和對不同網頁的存取中。工業以太網交換機可以有效的將重要的控制設備隔離在他們自己的沖突域中。工程師們可以 從沖突域的外部來對設備進行存取，但是正如我們在開始就指出的， 數據在沖突域中將更自由。 隔離的獨立設備 這種類型的應用與上面所描述的相類似，但是在這個例子中，只有一個設備連接到以太網交換機的端口上，將設備隔離在自己的沖突域中。舉一個具體的例子，控制工程師可以用一個多端口的以太網交換機來連接PLC和傳感器/執行器。 除了偶爾的診斷和重新配置信息從另外的一部分網絡發送過來，交換機幾乎將所有的控制活動與其他的網絡隔離開了。 為兩個分開的沖突域提供了一個高速的連接 一些以太網交換機整合了10Mbps的以太網端口和更高速度的100Mbps端口，這個更高速度的端口用來級聯另外一個交換機。2個此類型的交換機可以組合在一起為兩個獨立的沖突域提供更高速的連接。因為在兩個交換機之間傳輸的數據幀花費1/10的時間在線路上， 數據重新發送的機會很小。這些內部的交換機是全雙工的連接，所以兩臺交換機之間的碰撞概率幾乎為零。 為相互分隔的沖突域提供光纖連接 一些以太網交換機有兩個端口，一個是UTP以太網端口，使用電信號來傳輸數據； 一個是光纖端口，使用光脈沖來傳輸數據。光脈沖可以避免受到閃電和一些生產設備的高壓的干擾，并且總的來說可以傳送更遠的距離。這就允許使用此類型的以太網交換機來將一部分工廠層的LAN和另外一部分的連接起來，因為光纖可以穿越遭受電磁干擾的廠區，還可以連接數公里之遠的建筑物。 連接冷凍設備或者冷卻設備 無論工廠層的環境有沒有變熱的趨勢，仍然可以發現在寒冷的環境中也有著重要的工業設備，比如大型的冷凍機，肉類存儲柜，冷卻機，還有遠在南北球的室外環境。以太網設備使用在這類極端寒冷的氣溫下（試想一下溫度低到-40°C，這和華氏負40度相似 ），必須進行特殊的設計，使其在這種相反的環境下可靠地工作。 與交通控制設備互連 一個非常重要的網絡應用就是與交通控制設備進行互連，包含將監視用的照相機，自動流量計數器和紅綠燈的控制連接到以太網。問題在于大部分的交通信號燈所在的位置都沒有內嵌的以太網端口。解決這個問題的方法是在每個交通信號燈的位置安放一臺良好設計的工業以太網交換機。如果交換機有光纖接口，可以用來級聯交換機，這樣就可以用光纖將他們連接起來，這樣就可以方便的建立起一個室外的局域網，最終與中心控制臺進行連接。 概述 工業以太網交換機在建立以太局域網起了一個非常重要的角色，其可以工作在工廠和室外的環境。這種類型環境下，以太網交換機的主要應用是：1）將重要的控制設備隔離在自己的碰撞域；2）使用光纖穿過廠區，避免電磁干擾；3）延伸工廠或者公司的局域網到其他的建筑物。重要的是記住工業以太網設備比商用的設備更可靠，因為需要在極端的環境下利用它來解決問題。當在工業環境下使用以太網交換機，需要考慮到以下幾個問題： 較高的溫度等級 能經受較高的振動和沖擊 工業級包裝 帶冗余的工業電源輸入 危險場所的準入許可 價格比較便宜的商用以太網交換機在設計的時候基本沒有考慮到這些情況