今天的控制系統(tǒng)和工廠自動化系統(tǒng)，以太網(wǎng)的應用幾乎已經和PLC一樣普及。但現(xiàn)場工程師們對以太網(wǎng)的了解，大多來自他們對傳統(tǒng)商業(yè)以太網(wǎng)的認識。很多控制系統(tǒng)工程的實施甚至是直接讓IT部門的技術人員來實施。但是，IT工程師們對于以太網(wǎng)的了解，往往局限于辦公自動化商業(yè)以太網(wǎng)的實施經驗，可能導致工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中實施的簡單化和商業(yè)化，不能真正理解工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)現(xiàn)場的意義，也無法真正利用工業(yè)以太網(wǎng)內在的特殊功能，常常造成工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場實施的不徹底，給整個控制系統(tǒng)留下不穩(wěn)定因素。

　　那么選擇正確的工業(yè)以太網(wǎng)要考慮哪些因素？簡單的來說，要從以太網(wǎng)通訊協(xié)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。這些都是最基本需要了解的產品選擇因素。如果對工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡管理有更高要求，則需要考慮所選擇產品的高級功能如：信號強弱、端口設置、出錯報警、串口使用、主干(TrunkingTM)冗余、環(huán)網(wǎng)冗余、服務質量(QoS)、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)、簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議(SNMP)、端口鏡像等等其他工業(yè)以太網(wǎng)管理交換機中可以提供的功能。不同的控制系統(tǒng)對網(wǎng)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。控制工程師們應該根據(jù)其系統(tǒng)的設計要求，挑選適合自己系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)產品。

　　由于工業(yè)環(huán)境對工業(yè)控制網(wǎng)絡可靠性能的超高要求，工業(yè)以太網(wǎng)的冗余功能應運而生。從快速生成樹冗余(RSTP)、環(huán)網(wǎng)冗余(RapidRingTM)到主干冗余(TrunkingTM)，都有各自不同的優(yōu)勢和特點，控制工程師們可以根據(jù)自己的要求進行選擇。為了更好地幫助大家了解和學習工業(yè)以太網(wǎng)冗余技術的特點，讓我們首先回顧以下以太網(wǎng)設備的發(fā)展過程。

集線器 (Hub)

　　相信絕大多數(shù)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(wǎng)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(xiàn)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。

非管理型交換機 (Unmanaged Switch)

　　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(xiàn)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(wǎng)絡設備的網(wǎng)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(wǎng)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，提高了傳輸性能，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(xiàn)任何形式的通信檢測和冗余配置功能。

管理型交換機 (Managed Switch)

　　以太網(wǎng)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，通常可以通過基于網(wǎng)絡的接口實現(xiàn)完全配置。它可以自動與網(wǎng)絡設備交互，用戶也可以手動配置每個端口的網(wǎng)速和流量控制。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(shù)管理型交換機通常也提供一些高級功能，如用于遠程監(jiān)視和配置的SNMP(簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議)，用于診斷的端口映射，用于網(wǎng)絡設備成組的VLAN(虛擬局域網(wǎng))，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(wǎng)絡。使用環(huán)形拓撲結構，管理型交換機可以組成環(huán)形網(wǎng)絡。每臺管理型交換機能自動判斷最優(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。

管理型冗余交換機

　　高級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(tǒng)進行了設計上的優(yōu)化。構建冗余網(wǎng)絡的主要方式主要有以下幾種，STP、RSTP；環(huán)網(wǎng)冗余RapidRingTM以及TrunkingTM。

　　1、STP及RSTP

　　STP(Spanning Tree Protocol，生成樹算法，IEEE802.1D)，是一個鏈路層協(xié)議，提供路徑冗余和阻止網(wǎng)絡循環(huán)發(fā)生。它強令備用數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)絡中斷恢復時間，縮短到1-2s。生成樹算法網(wǎng)絡結構靈活，但也存在恢復速度慢的缺點。

圖1：采用STP或RSTP技術通過管理型交換機實現(xiàn)冗余網(wǎng)絡。

　　2、環(huán)網(wǎng)冗余RapidRingTM

　　為了能滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡實時性強的特點，RapidRingTM孕育而生。這是在以太網(wǎng)網(wǎng)絡中使用環(huán)網(wǎng)提供高速冗余的一種技術。這個技術可以使網(wǎng)絡在中斷后300ms之內自行恢復。并可以通過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(xiàn)的斷網(wǎng)現(xiàn)象。這些都可以幫助診斷環(huán)網(wǎng)什么地方出現(xiàn)斷開。

　　RapidRingTM也支持兩個連接在一起的環(huán)網(wǎng)，使網(wǎng)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。

圖2：用管理型交換機實現(xiàn)RapidRingTM環(huán)網(wǎng)連接，網(wǎng)絡中斷恢復時間小于300ms。

　　3、主干冗余TrunkingTM

　　將不同交換機的多個端口設置為TrunkingTM主干端口，并建立連接，則這些交換機之間可以形成一個高速的骨干鏈接。不但成倍的提高了骨干鏈接的網(wǎng)絡帶寬，增強了網(wǎng)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(wǎng)絡中的骨干鏈接產生斷線等問題，那么網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)會通過剩下的鏈接進行傳遞，保證網(wǎng)絡的通訊正常。TrunkingTM主干網(wǎng)絡采用總線型和星型網(wǎng)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(shù)據(jù)平衡的方法，所以使網(wǎng)絡中斷恢復時間達到了新的高度，一般恢復時間在10ms以下。

圖3：用管理型交換機實現(xiàn)主干連接，網(wǎng)絡中斷恢復時間小于10ms。