工業(yè)交換機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)介：

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在商用領(lǐng)域的應(yīng)用日漸廣泛，越來(lái)越多的電力綜合自動(dòng)化系統(tǒng)也逐漸使用以太網(wǎng)并采用ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議作為主要的通信標(biāo)準(zhǔn)。雖然應(yīng)用于電力綜合自動(dòng)化系統(tǒng)領(lǐng)域的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與商用以太網(wǎng)相同，但在電力綜合自動(dòng)化系統(tǒng)領(lǐng)域，還需要網(wǎng)絡(luò)能在比較惡劣的工作環(huán)境下穩(wěn)定地工作。

因此，用來(lái)連接電力綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)，才能提供工業(yè)級(jí)的可靠性，以滿足長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的需求。另外，在工業(yè)控制領(lǐng)域，所需連接的設(shè)備分布較分散，單個(gè)地方連接設(shè)備少，這就對(duì)支持光纖冗余環(huán)路的８端口的光纖網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)產(chǎn)品有了較大需求。為了實(shí)現(xiàn)光纖冗余環(huán)路功能，需要采用高性能的微處理器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理和控制功能，并采用高性能的網(wǎng)絡(luò)交換芯片實(shí)現(xiàn)基本的１０／１００Ｍ/1000M以太網(wǎng)交換功能。

1、 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來(lái)講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及推廣，Ethernet技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，Ethernet傳輸速率的提高和Ethernet交換技術(shù)的發(fā)展，給解決Ethernet通信的非確定性問題帶來(lái)了希望，并使Ethernet全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域成為可能。目前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1通信確定性與實(shí)時(shí)性

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)在于它必須滿足控制作用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，即信號(hào)傳輸要足夠的快和滿足信號(hào)的確定性。實(shí)時(shí)控制往往要求對(duì)某些變量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定時(shí)刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測(cè)方式，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)確定時(shí)通信的實(shí)時(shí)性要求，一直被視為非確定性的網(wǎng)絡(luò)。

然而，快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來(lái)了新的契機(jī)，使這一應(yīng)用成為可能。首先，Ethernet的通信速率從10M、100M增大到如今的1000M、10G，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞機(jī)率大大下降。其次，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段。

Ethernet交換機(jī)由于具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞；同時(shí)交換機(jī)還可對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過(guò)主干網(wǎng)，也不占用其它網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

再次，全雙工通信又使得端口間兩對(duì)雙絞線（或兩根光纖）上分別同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀，也不會(huì)發(fā)生沖突。因此，采用交換式集線器和全雙工通信，可使網(wǎng)絡(luò)上的沖突域不復(fù)存在（全雙工通信），或碰撞機(jī)率大大降低（半雙工），因此使Ethernet通信確定性和實(shí)時(shí)性大大提高。? ??

1.2穩(wěn)定性與可靠性

Ethernet進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的另一個(gè)主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等均是為商用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，而未針對(duì)較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)（如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等），故商用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品不能應(yīng)用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定工作的問題。

1.3工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

由于工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不單單是一個(gè)完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，而且還是一個(gè)借助網(wǎng)絡(luò)完成控制功能的自控系統(tǒng)。它除了完成數(shù)據(jù)傳輸之外，往往還需要依靠所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令，執(zhí)行某些控制計(jì)算與操作功能，由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)完成自控任務(wù)。因而它需要在應(yīng)用、用戶等高層協(xié)議與規(guī)范上滿足開放系統(tǒng)的要求，滿足互操作條件。

對(duì)應(yīng)于ISO/OSI七層通信模型，以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范只映射為其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；而在其之上的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，目前以TCP/IP協(xié)議為主（已成為以太網(wǎng)之上傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層“事實(shí)上的”標(biāo)準(zhǔn)）。而對(duì)較高的層次如會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層等沒有作技術(shù)規(guī)定。

目前商用計(jì)算機(jī)設(shè)備之間是通過(guò)FTP（文件傳送協(xié)議）、Telnet（遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）、SMTP（簡(jiǎn)單郵件傳送協(xié)議）、HTTP（WWW協(xié)議）、SNMP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）等應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行信息透明訪問的，它們?nèi)缃裨诨ヂ?lián)網(wǎng)上發(fā)揮了非常重要的作用。但這些協(xié)議所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不適合應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信。

為滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求，必須在Ethernet+TCP/IP協(xié)議之上，建立完整的、有效的通信服務(wù)模型，制定有效的實(shí)時(shí)通信服務(wù)機(jī)制，協(xié)調(diào)好工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)信息的傳輸服務(wù)，形成為廣大工控生產(chǎn)廠商和用戶所接收的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議，進(jìn)而形成開放的標(biāo)準(zhǔn)。

為此，各現(xiàn)場(chǎng)總線組織紛紛將以太網(wǎng)引入其現(xiàn)場(chǎng)總線體系中的高速部分，利用以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)，以及原有的低速現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用層協(xié)議，從而構(gòu)成了所謂的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如HSE、PROFInet、Ethernet/IP等。

Ethernet/IP

Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)和星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，能同時(shí)支持10Mbps和100Mbps以太網(wǎng)商用產(chǎn)品，Ethernet/IP的協(xié)議由IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP協(xié)議組和控制與信息協(xié)議CIP(ControlInformationProtocol)等3個(gè)部分組成，前面兩部分為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，其特色就是被稱作控制和信息協(xié)議的CIP部分。

Ethernet/IP為了提高設(shè)備間的互操作性，采用了ControlNet和DeviceNet控制網(wǎng)絡(luò)中相同的CIP，CIP一方面提供實(shí)時(shí)I/O通信，一方面實(shí)現(xiàn)信息的對(duì)等傳輸，其控制部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O通信，信息部分則用來(lái)實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)的信息交換。