工業Ethernet首要和最明顯的要求是它必須提供可靠和可測的數據傳遞。對于工業應用,在OSILayer1(物理層)和Layer2(數據鏈路)存在不同的問題和方案。網絡標準(如Modbus TCP/IP, Ethernet IP,Profibns)采用Layers3和熟悉的OSI網絡模式尋址可測的數據傳遞。可認為Ethernet為這些標準的使用工具,其最終應用決定最好的協議。

構成星配置

　　當Ethernet引入到工業裝置時,往往用星配置中現有的開關或插口,從多端口開關到很多終端分配信息包。用戶有時所需的節點多于多端口開關可得到的節點,或需要放置分布數據系集節點所處的距離大于開關處所提供的100米。銅線Ethernet(10BASE-T,100BASE-FX)標定信號傳輸距離為100米。

　　有時更長距離的傳輸采用光纖100BASE-FX,通常可擴展到2000米。替代傳統星配置的一種方法是增加Ethernet節點的一個菊花鏈網絡(圖1)。借助菊花鏈采用銅線網絡擴展距離,勝過安裝光纖基系統的成本問題。但是,有兩個問題需要解決。第一個問題是經過多開關的數據延遲,第二個問題是安裝中環路產生的危險(這會導致網絡失效)。　　

 

 　　圖1 傳統星配置與基于菊花鏈網絡點配置的比較

定時

　　在工業應用中,用較高級的協議(如IEEE1588)可能增加信息延遲和決定性的傳遞,在Ethernet網絡中采用UDP(用戶數據報協議)IP信息包。通常,感測節點用IEEE1588時鐘,有兩種方法：一種方法是在數據被采集時刻產生時間標記;另一種方法是比較IEEE1588時鐘時間與特定的觸發時間來產生一個采集觸發。總的來說,100Mbit/s Ethernet提供合適的吞吐量傳遞消息到時基,所以,理論上保證這種傳遞。

　　環路的引入在工業中也是一個可以解決的問題。若多通路中經多余的消息通路導致在一個節點上重疊信息包的接收,則多通路可能使Ethernet網絡失效。基于此原因,在傳統Ethernet網絡中不允許環路和多余通路。然而,當今大多數智能開關采用跨越樹來從事多余通路和促使數據指向合適的方向。

跨越菊花鏈的樹結構

　　若在每個菊花鏈節點上實現跨越樹,則一個非常健全冗余Ethernet網絡采用的形式允許通路冗余。這使得工業網絡具有多個可用的通路,在任何時間僅有一個通路有效。跨越樹協議工作是靠閉鎖選擇的多余通路,但是,若斷開或切斷一條纜線,也能夠快速地改變通路,總的來說,節點級的跨越樹允許重新配置節點間的通路。

　　用Micrel公司的KS8993M可以實現菊花鏈Ethernet節點。此器件由3個MAC(媒體接入控制器),2個PHY(物理層收發器)和完全非閉鎖開關組成。此器件通過第3個Ethernet MAC很容易連接到主控制器。采用這種方式時,供第3端口用的Ethernet信息包分接到處理器,而剩余數據傳送到它的終端目標。然后,主控制器可以執行跨越樹協議,并從KS8993M MIB計數器讀出來確定最佳數據流。

 

 　　圖2 帶環路的網絡

QoS和VLAN

　　3和5信道器件除跨越樹之外,也支持QoS(服務質量)和VLAN(虛擬局域網)性能。QoS允許服務分級及控制流出排隊和信息包離開優先。QoS對于優先關鍵數據的分類和流動也是有用的。VLAN允許在單條纜線上有共存時分段傳送。這種分段降低了本地控制器的處理負擔,確保它們不必參與不用做VLAN段的數據。VLAN的使用,便于工業節點類型(如報警、定時、運行、溫度)的分組。

　　KS8993M也支持anto-MDI/MDI-X性能,允許采用直通CAT-5纜線或相交纜線。anto-MDI/MDI-X具有消除不合理安裝可能性的性能,不合理安裝可能性會發生在現場安裝工人連接相交纜線時,此處需要一條直通纜線,允許路由器、開關或重疊頂端容易地連接到工業Ethernet節點,而不用關心纜線型號。

　　隨著Ethernet進入工業應用的主流,制造商和安裝人員正在為環境要求(如可測性,精確定時、健全性、容易安裝)提供解決方案。這樣的網絡能提供比傳統工業通信協議更快的速度,而工業用戶通過IP通信可以接入各種服務。