工业以太网

工业以太网入门教程 作者：科动 文章来源：美国科动控制系统公司 点击数：1824 更新时间：2006-6-17 工业以太网入门教程[第 1 讲]——工业以太网联网设备基本知识 今天的控制系统和工厂自动化系统，以太网的应用几乎已经和 PLC 一样普及。但现场工程师们对以太网的了解，大多来 自他们对传统商业以太网的认识。很多控制系统工程的实施甚至是直接让 IT 部门的技术人员来实施。但是，IT 工程师们对于以太 网的了解，往往局限于办公自动化商业以太网的实施经验，可能导致工业以太网在工业控制系统中实施的简单化和商业化，不能 真正理解工业以太网在工业现场的意义，也无法真正利用工业以太网内在的特殊功能，常常造成工业以太网现场实施的不彻底， 给整个控制系统留下不稳定因素。 那么选择正确的工业以太网要考虑哪些因素？简单的来说，要从以太网通讯协议、电源、通信速率、工业环境认证考虑、 安装方式、外壳对散热的影响、简单通信功能和通信管理功能、电口或光口的考虑。这些都是最基本需要了解的产品选择因素。 如果对工业以太网的网络管理有更高要求，则需要考虑所选择产品的高级功能如：信号强弱、端口设置、出错报警、串口使用、 主干(TrunkingTM)冗余、环网冗余、服务质量(QoS)、虚拟局域网(VLAN)、简单网络管理协议(SNMP)、端口镜像等等其他工业以 太网管理交换机中可以提供的功能。不同的控制系统对网络的管理功能要求不同，自然对管理型交换机的使用也有不同要求。控 制工程师们应该根据其系统的要求，挑选适合自己系统的工业以太网产品。 由于工业环境对工业控制网络可靠性能的超高要求，工业以太网的冗余功能应运而生。从快速生成树冗余(RSTP)、环网 冗余(RapidRingTM)到主干冗余(TrunkingTM)，都有各自不同的优势和特点，控制工程师们可以根据自己的要求进行选择。为了更 好地帮助大家了解和学习工业以太网冗余技术的特点，让我们首先回顾以下以太网设备的发展过程。 集线器 (Hub) 相信绝大多数人都熟悉集线器。很多人使用这种简易设备去连接各种基于以太网的设备，如个人计算机，可编程控制器 等。集线器接收到来自某一端口的消息，再将消息广播到其它所有的端口。对来自任一端口的每一条消息，集线器都会把它传递 到其它的各个端口。在消息传递方面，集线器是低速低效的，可能会出现消息冲突。然而，集线器的使用非常简单－实际上可以 即插即用。集线器没有任何华而不实的功能，也没有冗余功能。 非管理型交换机 (Unmanaged Switch) 集线器的发展产生了一种叫非管理型交换机的设备。它能实现消息从一个端口到另一个端口的路由功能，相对集线器更 加智能化。非管理型交换机能自动探测每台网络设备的网络速度。另外，它具有一种称为“MAC 地址表”的功能，能识别和记忆网 络中的设备。换言之，如果端口 2 收到一条带有特定识别码的消息，此后交换机就会将所有具有那种特定识别码的消息发送到端 口 2。这种智能避免了消息冲突，提高了传输性能，相对集线器是一次巨大的改进。然而，非管理型交换机不能实现任何形式的通 信检测和冗余配置功能。 管理型交换机 (Managed Switch) 以太网连接设备发展的下一代产品是管理型交换机。相对集线器和非管理型交换机，管理型交换机拥有更多更复杂的功 能，价格也高出许多－通常是一台非管理型交换机的 3～4 倍。管理型交换机提供了更多的功能，通常可以通过基于网络的接口实 ?????? www.autozhaopin.com 现完全配置。它可以自动与网络设备交互，用户也可以手动配置每个端口的网速和流量控制。一些老设备可能无法使用自动交互 功能，因此手动配置功能是必不可缺的。 绝大多数管理型交换机通常也提供一些高级功能，如用于远程监视和配置的 SNMP(简单网络管理协议)，用于诊断的端口 映射，用于网络设备成组的 VLAN(虚拟局域网)，用于确保优先级消息通过的优先级排列功能等。利用管理型交换机，可以组建冗 余网络。使用环形拓扑结构，管理型交换机可以组成环形网络。每台管理型交换机能自动判断最优传输路径和备用路径，当优先 路径中断时自动阻断(block)备用路径。 管理型冗余交换机 高级的管理型冗余交换机提供了一些特殊的功能，特别是针对有稳定性、安全性方面严格要求的冗余系统进行了设计上 的优化。构建冗余网络的主要方式主要有以下几种，STP、RSTP；环网冗余 RapidRingTM 以及 Trunking。 1、STP 及 RSTP STP(Spanning Tree Protocol，生成树算法，IEEE 802.1D)，是一个链路层协议，提供路径冗余和阻止网络循环发生。它强令 备用数据路径为阻塞(blocked)状态。如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助激活备用路径重新配置及链路重构。网络中断恢复时 间为 30-60s 之间。RSTP(快速生成树算法，IEEE 802.1w)作为 STP 的升级，将网络中断恢复时间，缩短到 1-2s。生成树算法网络 结构灵活，但也存在恢复速度慢的缺点。 2、环网冗余 RapidRingTM 为了能满足工业控制网络实时性强的特点，RapidRingTM 孕育而生。这是在以太网网络中使用环网提供高速冗余的一种 技术。这个技术可以使网络在中断后 300ms 之内自行恢复。并可以通过交换机的出错继电连接、状态显示灯和 SNMP 设置等方法 来提醒用户出现的断网现象。这些都可以帮助诊断环网什么地方出现断开。 RapidRingTM 也支持两个连接在一起的环网，使网络拓朴更为灵活多样。两个环通过双通道连接，这些连接可以是冗余 的，避免单个线缆出错带来的问。 图解：用管理型交换机实现 RapidRingTM 环网连接，网络中断恢复时间小于 300ms 3、主干冗余 Trunking 将不同交换机的多个端口设置为 Trunking 主干端口，并建立连接，则这些交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。不 ?????? www.autozhaopin.com 但成倍的提高了骨干链接的网络带宽，增强了网络吞吐量，而且还还提供了另外一个功能，即冗余功能。如果网络中的骨干链接 产生断线等问题，那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递，保证网络的通讯正常。Trunking 主干网络采用总线型和星型网 络结构，理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法，所以使网络中断恢复时间达到了新的高度， 一般恢复时间在 10ms 以下。 图解：用管理型交换机实现 Trunking 主干连接，网络中断恢复时间小于 10ms 工业以太网入门教程[第 2 讲]——虚拟局域网介绍 引言 局域网(LAN)是一种专用网络，通常局限于一个工厂的范围。虚拟局域网(VLAN)允许 将一个物理上的单网络分割为若干个较小的逻辑 LAN。VLAN 限制广播域，提高安全性和改进 性能，是用于从 IT 系统分离工业自动化系统的理想。 结构化的接线 从现场总线技术迁移到工业以太网的优点之一可从评论“我们的工厂早已接线到以太 网。我不需要敷设专门的接线，因为双绞线早已存在”中找到。这就是事实，因为以太网电缆的 安装遵照结构化接线的，如 TIA/EIA-568-A Commercial Building Telecommunications Cabl ing Standard 商业楼宇远程通信接线标准。根据这个标准将每个工作区的终端站接线到接线柜中 的插座面板。这些插座面板还连接到安装在接线柜中的中继型集线器或交换型集线器(参阅图 1)。 终端站和集线器端口之间的交叉连接由短的跳接线实现。每个接线柜引出一根单线，它连接到位 ?????? www.autozhaopin.com 于设备室中的级联式集线器。所有接线柜馈送信号到设备室，设备室有可能不止一个, 但标准倾 向于限制分层的层次数量。工厂车间级的装置以相似的方式接线，通过这种接线方式，所有车间 中的站共享同一个 LAN。 图 1： 结构化的接线建立起一个集线器的分层。 共享同一个 LAN 并不总是一个好的理念。LAN 典型地由 IT 部门维护，而信息技术越来越 感兴趣于网络安全而不是最大化开工时间。断开一个被用户怀疑有故障的站，典型的做法是卸除 跳接线，这对用户来说是很不方便的，而且对工业控制系统来说，这样的做法会给设备带来灾难 性的损坏。因此，曾建议配置两个 LAN——一个用于 IT 部门而另一个用于工业自动化系统。毫 无疑问，这可以消除 IT 部门关于安全问题的担心。然而分隔物理上的接线，也许是不可能，再 者也不方便。 需要分隔信息技术 IT LAN 和工业自动化 LAN 还有另一个理由，一个 LAN 可认为是 一个单纯的广播域。这就是说，广播报文(发送到所有站的报文)被发送到在 LAN 上的每一个站， 对组播报文(播送到多个站但不是所有站的报文)，通常这也是对的。因为，如要接收组播报文的 站的确实地址为未知，则所有的站将接收该报文。为了改进实时响应，工业自动化系统经常使用 producer/consumer 模式。在 producer/consumer 模式，由某一个站生成的原始报文为若干个称为 c onsumer 的站所接收。对以太网来说，这种模式会生成许多广播和组播报文，从而消耗 LAN 的 整个带宽，因此并不适用。有什么方法可以保持在同一个物理网络但又允许分隔 LAN 的功能度 呢？答案是肯定的，这就是本文要介绍的虚拟局域网(VLAN)。 VLAN 的结构 一个 LAN，包括站、中继型集线器和交换式集线器，均运行在数据链路层上，如使用 路由器，可将 LAN 连接到其他 LAN，从而建立起互联运行。然后，给予每个 LAN 一个网络地 址。互联运行的最好例子就是互联网(Internet)。有可能一个 LAN 是工业自动化系统而另一个 L AN 是信息系统，两个 LAN 通过路由器彼此链接。然而，在工厂内的结构化接线通常并不直接 支持这样的接线。此外，配置路由器比配置 VLAN，其难度要大得多。我们期望的是：信息系统 和工业自动化系统在同一个 LAN 上，但它们在逻辑上分隔为两个 LAN，这就是 VLAN 能在一 批注 [微软中国1]: 一个物理网络又 可分隔 LAN ?????? www.autozhaopin.com 个 LAN 内，所有的站连接到中继型集线器。全部站点侦听 3 种类型的发送——单播、组播和广 播。这种情况是不可能建立起分隔的 VLAN，因为没有一个限制通信量的方法。VLAN 的一个 基本要求是使用交换型集线器，通过观察其进入端口接收报文中出现的源 MAC(Medium Access Control，媒体访问控制)，一个交换机能了解站点的位置。MAC 地址-端口号的关联(Associatio n)就这样登录在其筛选数据库内。以后，所有指定到存储在交换机筛选数据库中的某一个 MAC 地址的发送只能导向到与该 MAC 地址关联的端口。如接收到一个没有关联的 MAC 地址，则发 送将涌向所有端口(除该接收的端口外)，也就是说，这时交换机的功能如同一个中继式集线器。 以上对组播或广播报文均适用。由于交换机限制单播报文，只能到有关的站，因此其性能比中继 式集线器有明显的改进。正是这种筛选能力用于 VLAN 的开发，通过建立到交换机端口的 VLA N 关联，一个单独的交换型集线器经过这样的配置，其作用如同若干个独立的交换型集线器。 熟悉现场总线接线的人们经常抱怨工业以太网的一个方面，那就是它坚持 TIA/EIA-586 -A 限定的星形拓朴结构接线。现场总线是以总线拓朴结构接线的，因此不需要使用集线器。由 于所有的发送均和现场总线的通信业务有关，因此亦没有必要分隔发送。结构化接线标准只支持 星形拓朴结构，所以不支持总线拓朴以太网标准如 10BASE2。然而正是星形拓朴允许我们建立 VLAN，由于一个，只允许一个站连接到集线器上的一个端口，通过端口的关联就可以知道站点 的确实位置，因此使用交换型集线器技术能建立起 VLAN。 端口 VLAN 有多种方法可以建立 VLAN，但最容易理解的是端口 VLAN。交换机建立了一个 MAC 地址和端口号的关联，需要增加的是一个 VLAN 关联，这通过配置一个支持 VLAN 的交换机来 完成。即插即用(Plug and Play Switch)交换机不可能支持 VLAN——因为它不可能通过操作员的 干预来改变其个性化特点。例如，在一个有 16 个端口的交换机中，我们需要建立编号为 1 到 3 的 3 个分隔的 VLAN。当配置时，我们将交换机上的每个端口关联到与之相应的 VLAN。然后 位于每一个 VLAN 分配(Assignment)即分隔的 VLAN 中的通信业务被限制于那些关联到此 VLA N 分配的端口。以该 3 个 VLAN 的交换机为例，我们建立和 VLAN1 关联的端口为 1，2，3 和 4， 一个在端口 1 的广播或组播报文只能发送到端口 2、3 和 4 而不能发送到其他端口。其他 2 个 V LAN 的运作方式与此类似，一个单播报文允许转发，这和任何其他类型的交换机相同，存在一 个 MAC 地址一端口号的关联表，但是对端口 VLAN 添加到这个关联表的是 VLAN 的约束条件， 因此，对一个目标地址，如存储器中没有与之对应的 MAC 地址-端口关联，则过滤(flooding)只 限于该 VLAN 的端口组。当一个端口接收到来自另一个 VLAN 组的发送中的目标地址时，会发 生什么情况呢？这个发送应该舍弃。 图 2：在这个 Port VLAN 的应用，位于中间的服务器是逻辑地连接到所有 3 个 VLAN。 ?????? www.autozhaopin.com 图 2 描述的是包括 3 个 VLAN 的端口 VLAN 应用示例，虽然能增加更多的 VLAN，但只有 一个 VLAN-aware 交换机位于 LAN 的中部。其他不是 VLAN-aware 的交换机则作为有关 VLAN 的部件。在 VLAN-aware 交换机的每个端口，均和一个公共端口相关联，它驻留一个服务器。这 个 VLAN 的重叠(overlapping)允许 VLAN 中的任何工作站访问该服务器。但是位于分隔的 VLA N 中的各个工作站相互并不知晓。 Port VLAN 的一个主要优点是易于理解和方便作用。插座面板的端口可标志其有关的 VLAN，连接特定的站到特定的 VLAN 很简单，只是移动软线就近连接。一个更简单的方法是 使用软件来完成这些工作。通过重新配置 VLAN-aware 交换机可将物理端口重新分配到不同的 V LAN。如你希望添加若干个交换机以扩展 VLAN，你应该做什么呢？这是可能的，但需要对每 个 VALN 的专用接线，这明显地限制了实现。因此，使用一个单独的 VLAN-aware 交换机的 Po rt VLAN 是一个最好的解决方案。注意，分隔的 Port VLAN 并没有改变以太网的帧、终端站并 没有意识到这个 VLAN 结构，如能从以太网帧的内容了解到 VLAN 关联则可以获得更大的灵活 性。这种性能称为隐含的标志(隐含于以太网帧内)，它允许 VLAN 使用相同的电缆结构来跨接多 个交换机。 帧编码的 VLAN 方案(Frame Encoded VLAN Schemes) 对 Port VLAN 来说，它不改变以太网帧式或任何在以太网帧中隐含的标志，站点并不 了解 VLAN 的结构，有一个建立 VLAN 的替代方案，如所使用的交换机支持多种不同方案的话。 你只需简单地将特定的 MAC 地址关联到一个 VLAN。通过这个方法，分配到该 VLAN 这个站 可位于任何交换机的端口上，但仍然保持为连接到一个特定的 VLAN。显然，更换该站时，所有 的交换机需要对这个新的 MAC 地址重新进行配置。另一个建立 VLAN 的方法是根据支持的网 络操作系统来分隔站点，通过考察某些协议字段，报文帧只导向支持该操作系统的站点。当存在 多个竞争的网络操作系统时，这些网络操作系统具有很不相同的以太网帧定义，因此这是一个普 遍采用的建立 VLAN 的方案。目前倾向于接受通用 TCP/IP 协议的潮流已限制对帧结构的选择。 还有一个方案是通过带 VLAN 信息编码的以太网帧来定义一个专用的协议。专用协议方案的问 题是没有广泛的工业支持。为了获得广泛的工业支持，你需要有一个 IEEE 标准。 显性 VLAN 标志(Explicit VLAN Tagging) 自 70 年代中期以来，以太网已广泛使用。其最大帧长度(不包括前同步字段)总是 1518 个字节。对于工业自动化应用，这个帧的长度是相当大的，因为大多数携带 I/O 信息的报文比较 短。但是，在经历这些年后，看起来 1518 个字节似乎仍然不够。为了定义一个普遍能接受的 V LAN 标志，IEEE 802.1Q 委员会决定需增加 4 个字节，要考虑到站点和中继器能否处理超长帧 的问题和这个新标准需求对 IEEE 802.3 进行修订。至此，我们以前有关帧的最大长度的说法已 不再正确，当增加 VLAN 标志后，帧的最大长度应是 1522 个字节而不是 1518 个字节。 ?????? www.autozhaopin.com 图 3： 802.1Q VLAN 标准，插入一个 4 字节的标志到标准以太网帧内。 IEEE 802.1Q VLAN 标志方案称为显性 VLAN 方案，这与 VLAN 标志隐含于帧内容是不同 的，显性 VLAN 标志是添加到帧的。4 个字节的标志紧接在源地址字段之后和在类型/长度(Type /Length)字段之前(参阅图 3)。首先的 2 个字节称为 Tag Protocol Identifier(标志协议标识符)，其 功能和类型/长度字段很相似。这 2 个字节的内容为 0×1800，它可以被识别为一个 VLAN 标志， 其后的 2 个字节是 Tag Control Information(标志控制信息)。由于帧长度的增加，需要重新计算 帧校验序列(FCS)，其余的以太网帧则保持不变。除以上变动外，可增加或删去一个 VLAN 标志 而不影响报文的内容和实质，2 字节的标志控制信息包括用于 IEEE 802.1P 优先级的高低(对 VL AN 来说，没有什么意义)的 3 个位，称为 Canonical Format Indicator(CFI，规则格式指示符)的 1 个位和用于标识 VLAN 的 12 个位，由于使用 12 位的标识符，因此可允许直到 4096 个 VLAN。 所有位均为“1”是保留的，所有位为“0”则指示不存在 VLAN 关联，其含义是标志只用于指示优 先级的高低。除此之外，所有其它的校识符可用来指示一个特定的 VLAN 以及 802.1P 报文优先 级的高低。 CFI 用于指示帧内的位排列次序，这是与非以太网 LAN 通信时所面临的问题。由于我 们只对以太网 LAN 感兴趣，因此将 CFI 位设定为“0”。 VLAN-unaware 终点站和交换机(VLAN-unaware End Station and Switches)因为 802.1Q 是在发表以太网以后 20 多年以后才问世的，在这以前，已有相当多的 VLAN-unaware 设备运行 于现场。虽然一个终端站可能会接收到加长的以太帧，但软件驱动器是否会“阻塞，Choke”接收 到的一个 0×8100 以太网协议的标识符，因为它过去从未遇到过？对终端站来说，最好的实施方 法是它不会见到 VLAN 标志，除非它经过改进后能这样做。可以肯定现场已安装的大量传统装 置，其终端站是 VLAN-unaware，一个 VLAN-aware 终端站是它能接收和使用 802.1Q VLAN 标 志。因此可将这个终端站称为 tag-aware。然而，对交换机来说并不总是对的，一个 VLAN-awar e 交换机能建立起 VLAN-port 关联，但未必能理解 802.1Q 标志，Port VLAN 交换机就是一个很 好的例子，tag-aware 交换机不但能理解 802.1Q 标志，也能建立起 VLAN-port 关联。 VLAN 边缘交换机(VLAN Edge Switches) 如在 VLAN-aware 交换机上的一个端口接收到一个由 VLAN-aware 站启动的发送，它只 是简单地读取 VLAN 分配的值，并将帧原封不动地转发给其筛选数据库中有关该特定 VLAN 分 配的那些端口。然而，如果接收到的一个发送来自 VLAN-unaware 站，则 tag-aware 交换机必须 添加一个 VLAN 标志到接收的帧，这个标志应等同于原先为这个接收的帧而建立的 VLAN 关联， 该关联基于以前所描述的 MAC 地址，协议 ID 或端口位置。 不论应用于 VLAN 的关联规则是什么，用于该 VLAN 的标识符必须和用于 VLAN 标志 的标识符相同，新的帧(添加 VLAN 标志后的帧)转发到输出端口或转发到交换机筛选数据库中的 端口。 为了限制将 VLAN 传送到 VLAN-unaware 终端站，tag-aware 交换机应具有在输出端口 删除 VLAN 标志的能力，一个边缘交换机就有这种功能。边缘交换机驻留于 VLAN-aware 和 VL AN-unaware 域的分界。一个边缘交换机能从一个 VLAN-aware 站读取一个 VLAN 标志或从一个 VLAN-unaware 站添加 VLAN 标志到一个帧以及采用适当的转发操作。在边缘交换机将帧转发到 其输出端口之一时，它观察其自身的表格以确定是否驻留 VLAN 标志或除去 VLAN 标志。如报 文发送到 VLAN-unaware 站，则必须剥离 VLAN 标志，如报文发送到核心 VLAN 交换机，则必 须保留 VLAN 标志。 VLAN 核心交换机(VLAN Core Switches) ?????? www.autozhaopin.com 核心交换机理解 VLAN 标志，它驻留在 VLAN 的主干，通常只连接到边缘交换机，因 此它的转发规则更为简单和可以更快地实现。所有进入的帧具有 VLAN 标志，所有离开边界的 帧则保持这些标志，筛选数据表只包括 4094 个可能的 VLAN 和输出端口分配，不需要知道源地 址。实际上，可以将边缘交换机配置为核心交换机。为了避免导致混淆，因此在一个设备中不能 有两种类型的 VLAN-aware 交换机。对此，限制只使用边缘交换机是一个答案。即使根据 802.1 Q 标准，允许有 4094 个 VLAN，但不是所有的交换机能同时支持如此众多的 VLAN，你能想象 得出，配置和维护这么多的 VLAN 将是何等的复杂吗？ 移动性(Mobility) 如便携式计算机能连接到 LAN 内某一交换机上的任何可提供的空闲端口和能在一个特 定的 VLAN 上观察工业自动化系统的运行，这将带来莫大的方便，为了有效地实现这样的功能， 便携式计算机必须是 VLAN-aware 设备，并且必须编程所连接的交换机，从而允许访问该特定的 VLAN。这通过能到达此 VLAN 的一个生效的 VLAN-port 关联实现，使用一个带隐性标志的 VL AN-unaware 便携式计算机来完成上述任务则要困难得多，但不是不可能。为了使连接到便携式 计算机的端口开放，需要重新配置在 VLAN 路径上不同的交换机，使用 Port VLAN 方案是不实 际的。 图中表明结合 IEEE 802.1Q 标志和边缘交换机的一个典型的 VLAN，每个边缘交换机使用 一个单电缆，连接到一个核心交换机。在 VLAN-aware 域内，边缘交换机必须发送有 VLAN 标 志的帧以识别帧-VLAN 关联。为了任何边缘交换机能访问所有可能的 VLAN(保证移动性)，连 接到核心交换机的端口必须和所有可能的 VLAN 相关联。 图 4：通过使用 802.1Q 标签可达到最灵活的 VLAN 布局， 边缘交换机允许使用 VLAN-aware 站和 VLAN-unaware 终端站两者。 结论 VLAN 是将一个较大的 LAN 分割为可管理的子网络的有效手段。VLAN 限制广播域， 改进性能和提高安全性，并且是隔离工业自动化系统和 IT 系统，但同时又保持设备原有的结构 化接线的理想方案。实现 VLAN 的最简单方案是 Port VLAN，然而最有效的 VLAN 设计方案是 IEEE 802.1Q VLAN 标志的标准，它允许用户能够从 LAN 上的任何点访问任何 VLAN，从而显 著地提高移动性。 ?????? www.autozhaopin.com 工业以太网入门教程[第 3 讲]——光纤及光纤传输系统介绍 一、光及其特性： 1. 光是一种电磁波。 可见光部分波长范围是：390-760nm(毫微米).大于 760nm 部分是红外光，小于 390nm 部分 是紫外光。光纤中应用的是：850nm，1300nm，1550nm 三种。 2.光的折射，反射和全反射。 因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质 的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的 角度达到或超过某一角度时， 折射光会消失， 入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不 同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物质有不同的光折射率)，相同的物质对不 同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。 二.光纤结构及种类： 1.光纤结构： 光纤裸纤一般分为三层： 中心高折射率玻璃芯(芯径一般为 50 或 62.5μm)，中 间为低折射 率硅玻璃包层(直径一般为 125μm)，最外是加强用的树脂涂层。 2.数值孔径： 入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这 个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产的 光纤的数值孔径不同(AT&TCORNING)。 3.光纤的种类： A. 按光在光纤中的传输模式可分为： 单摸光纤和多模光纤。 多模光纤：中心玻璃芯教粗(50 或 62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就 限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM 的光纤在 2KM 时则只有 300MB 的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。单模光纤： 中心玻璃芯教细(芯径一般为 9 或 10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用 于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模 光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求， 即谱宽要窄，稳定性要好。 B.按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。 ?????? www.autozhaopin.com 常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如 1300 μm。 色散位移型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300μm 和 155 0μm。 C.按折射率分布情况分：突变型和渐变型光纤。 突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低，模间色散高。适用于短途低 速通讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。 渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这 能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。 4.常用光纤规格： 单模： 8/125μm， 9/125μm ， 10/125μm 多模： 50/125μm 欧洲标准 62.5/125μm 美国标准 工业，医疗和低速网络： 100/140μm， 200/230μm 塑料： 98/1000μm 用于汽车控制。 三.光纤制造与衰减： 1.光纤制造： 现在光纤制造方法主要有：管内 CVD(化学汽相沉积)法，棒内 CVD 法，PCVD(等离子体化 学汽相沉积)法和 VAD(轴向汽相沉积)法. 2.光纤的衰减： 造成光纤衰减的主要因素有： 本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。 本征： 是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。 弯曲： 光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。 挤压： 光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。 杂质： 光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。 ?????? www.autozhaopin.com 不均匀： 光纤的折射率不均匀造成的损耗。 对接： 光纤对接时产生的损耗，如：不同轴(单模光纤同轴度要求小于 0.8μm)，端面与轴心 不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。 四.光纤的优点： 1. 光纤的通频带很宽.理论可达 30 亿兆赫兹。 2. 无中继段长.几十到 100 多公里，铜线只有几百米。 3 不受电磁场和电磁辐射的影响。 4. 重量轻，体积小。例如：通 2 万 1 千话路的 900 对双绞线，其直径为 3 英寸，重量 8 吨/ KM。而通讯量为其十倍的光缆直径为 0.5 英寸，重量 450P/KM。 5. 光纤通讯不带电，使用安全可用于易燃，易暴场所。 6. 使用环境温度范围宽。 7. 化学腐蚀，使用寿命长。 工业以太网入门教程[第 4 讲]——如何选择工业以太网产品 CTRLink 产品家族由集线器、交换机、接口转接器、路由器及网络视频产品。集线器标识中继集线器而交换机表示交换集线 器。接口转接器提供双绞线至光纤电缆的转接。 现代工业以太网网络的接线采用双绞线或光纤的星型或环形拓扑。如果网络连接的设备超过两个，需要集线器，它有两 种基本的形式－集线器和交换机。中继型集线器是最简单的集线器，它工作在物理层提供了网络扩展的最简单方式并兼容碰撞检 测的规则在半双工共享型以太网中加强了内涵。在不超过碰撞域的地理距离或电缆距离的限制下，最多可级联四个集线器。中继 型集线器工作在 10Mbps。可通过 EI 系列和 EIM 迷你型系列实现。 交换集线器实际上定义为网桥，即数据链路层设备。网桥允许两个或多个以太网网络的链路，碰撞域在每个网络中有了 分割。使用交换机的优点是扩展规则更加简单，理论上允许交换机没有限制地级联。交换机亦可配置在全双工方式下，消除半双 工、共享型以太网网络。交换型集线器包括 EIS 系列、EISM 迷你型、EISC 可配置型、和 EISX 紧凑型可管理和不可管理型。连接 光纤网络至双绞线网络可通过集线器或交换机实现。接口转接器的功能类似。与集线器类似，接口转接器定义为物理层设备。接 口转接器设备包括 EIMC 迷你型接口转接器。 协议 以太网定义了 ISO OSI 开放系统互联标准模型的物理层和数据链路层。在这两个层上定义了多个协议，其中以 TCP/IP ?????? www.autozhaopin.com 最流行。即使在 TCP 之上，针对自动化行业有多个应用层协议，如 Ethernet/IP，PROFInet,HSE,MODBUS/TCP,BACnet 和一些私有 协议。由于 CTRLink 产品基于以太网技术，这些产品可在所有协议上工作，包括 TCP/IP。在选用 CTRLink 时，协议并不是考虑 问题。 供电 安全和方便起见，CTRLink 产品工作在可调整的或不可调整的低压直流或交流电压。直流电压的范围是 10V~36V。交流 电压的范围是 8~24 V，47~63Hz。电源消耗按不同型号而变，但通常为 5 瓦或低于 5 瓦。CTRLink 产品提供了多电源的连接，接 受宽范围电源管理策略。电源可来自其它设备使用的变压器电源，次级接地或不接地或来自公用的直流电源亦可。无需使用单独 的变压器，但如果需要亦可。采用直流供电的控制面板，可提供多余的电源用于冗余电源的连接以接入备用的电池系统。直流连 接具有电压接反保护。电源接头采用可插拔方式方便现场接线。 兼容规范 所有 CTRLink 产品兼容欧盟的 CE marking 要求。在 EMC 方面，CTRLink 产品兼容信息技术设备在工业分类下的抗干 扰、抗辐射要求。 所有 CTRLink 产品兼容 UL508－Class 2(低压、有限能源)供电的工业控制设备。这是一个流行的工业自动化标准，通常 在控制面板上有要求。 其它 CTRLink 型号经过了 UL1604 批准－用于 ClassⅠ,Ⅱ Division 2 和 Class Ⅲ 危险地区的电器设备。CTRLink 列出的 设备符合 Class I, Division 2, Group A,B,C 和 D，允许的温度范围为 0~60。这个标准在过程工业中可以找到。 另外，CTRLink 产品作为一个元件经 UL864(用于防火信令系统的控制单元)认证。该标准在楼宇自动化工业使用，OEM 须提供此认证。认证后的 CTRLink 产品即被认为系统中的原件。 速率 工业以太网的最低速率为 10Mbps。有些设备仅能工作在此速率下。但是，大部分设备都工作在 100Mbps 或更高。如果所 有设备工作在 10Mbps，可以使用中继型集线器。如果可以工作在 100Mbps，必须使用交换机。所有 CTRLink 交换机可工作在任何 速度上。在双绞线端口上，速度设定可通过自动协商实现或手动。光纤端口速率可手动设定。 温度范围 所有 CTRLink 产品支持标准的工业以太网温度范围 0~60。该温度范围与安装在密封的、不通风或不进水的所属的设备如 PLC 和输入输出模块一致。对于安装在加温或不加温装置内设备的室外应用，EISX 系列可支持扩展的-40~75 的温度范围。 安装 工业控制设备通常通过紧固件安装在控制箱内容的面板上或直接安装在 DIN 轨上。一些产品支持这两种方式，另一些仅 支持 DIN 轨安装。最常用的 DIN 轨尺寸是 TS-32 和 TS35。 外壳 ?????? www.autozhaopin.com 基本上有三种类型的外壳。标准型为 156mm 高的铝制外壳。这是最通用的款式提供最多的端口(16)。应用中如需更小尺 寸，79mm 高度的迷你型塑料外壳是解决方案。剩下的款式即是 96mm 高度的迷你型铝壳。所有 CTRLink 产品用于用户控制箱内 或设备箱内的安装，可通过它的防护等级看出。 功能性 所有 CTRLink 产品开箱即可工作，不需要调整或只要小小的调整就可投入使用。我们称为“即插即用”模式。在“即插即用” 模式下，CTRLink 产品自动按环境进行调整。对于集线器和接口转接器产品，这是标准模式使得安装简单。但，在一些交换机产 品上，提供了多个集线器和交换机没有的特性，可通过控制端口进行配置。 所有交换机产品可工作在即插即用模式，利用自动协商协议设定诸如速率、双工和流量。这些特性一旦链路与所联设备 连上即进行协商。配置型产品如 EISC 系列的上述特性可对单个端口逐个进行配置。这个产品也支持高级的联网特性如中继、VL AN 和 QoS－所有产品都可通过控制端口进行配置。 交换机最上乘的功能可通过 EISX 系列管理功能实现。配置可通过控制端口或 EISX 内部的 web server 实现。管理功能意 味着设备支持简单网络管理协议(SNMP)提供额外的监测和报告功能。EISX 带管理型也提供了先进的网络功能，包括端口镜像、多 播过滤和快速生成树协议。 自动协商协议 自动协商协议可在 CTRLink 交换机的即插即用型特性中找到。协议允许基于两个连接端口间最高的共同性对端口和所连 设备参数进行自动配置。速率、半双工/全双工及流量控制都通过此方式设定。全双工方式可使用 PAUSE 方案，半双工方式可使 用 backpressure 方案。在某些 CTRLink 产品上被禁止，端口配置通过手动进行。光纤产品不支持自动协商所有它们的参数必须手 动设定。 双绞线端口 在所有双绞线端口上提供了带屏蔽的 RJ45 接头，可采用带或不带屏蔽双绞线电缆。双绞线端口的数目依型号不同而变最 多为 16 个。这些端口都接成了集线器和交换机产品上常见的 MDI-X(内部交叉)。有些 CTRLink 产品带有交叉连接(MDI)允许采用 直通电缆级联集线器和交换机。没有此特性的型号级联需要采用交叉电缆。带管理功能 EISX 可对提供自动交叉连接的自动-MDI X 特性进行允许。 光纤 所有 CTRLink 产品最少有一个双绞线端口。在某些型号上可提供一对或两对光纤端口。1 一对光纤用于网络末端应用， 两对光纤支持菊花链型光纤骨干网方案。光纤接头有 ST 或 SC。在 10Mbps 下，支持多模 850nm 选项，采用 ST 接头。在 100Mbp s 下，支持单模或多模 1300nm。多模接头可以是 ST 或 SC 接头，但 SC 接头用于单模型号。 广播风暴控制 广播是从一个站点向网络中所有其它站点发送，通常在配置过程中使用。尽管此方式对网络无害，由一个有问题的站点 发出过度的广播信息会消耗网络带宽，因而禁止其它，更多有用的信息发送出来。该广播风暴可通过带有此性能的产品进行最小 化。 ?????? www.autozhaopin.com LED 显示 所有 CTRLink 产品都有 LED 显示，以帮助操作者理解在集线器、交换机和接口转接器上的单个端口状态。依据型号和 产品的复杂程度，LED 显示功能有多种。通常显示的是，电源、链路、活动、速率、碰撞或双工。 先进特性提供更高的性能 所有 CTRLink 产品工作在即插即用方式，但附加的功能可在可配置(EISC)和管理(EISX)交换机型号上找到。这些型号支 持的特性必须在投入使用前正确地配置，进而为获取更高性能提供方法。 信号强度显示 EISC 支持一种独特的监测双绞线信号强度的方式。在一个配置屏幕上的小型条状图形显示可以描述每个端口的接收强 度。该信息在检查接线出错时有用。 固定端口设定 设定端口参数如速率、双工和流量控制通常采用自动协商协议实现。但有时，用户也想对这些参数进行预设以保证快速 可靠的启动。通过固定端口设定特性，自动协商协议可禁止，在每个端口上的单个参数可手动设置。 出错继电器 在某些型号，一个表示常开继电器触点的形式可用来表示在网络中存在出错状态。通常的错误是在一个交换机端口上丢 失链路。出错继电器可编程触发某个端口状态。开闭情况(是出错时闭合还是打开)亦可编程。 控制端口 为了对多个先进的特性进行配置，在可配置和管理型产品上提供了控制端口。它由 DB-9 接头(male)组成，接成 DTE 端 口，速率设定在 9600 波特率(8 位数据、无极性、一个停止位)。在 EISC，控制端口连至 PC 串口并运行基于 Windows 的配置程序。 在 EISX，控制端口需要一个终端仿真程序如 HyperTerminal。 Modbus 协议(RTU，从站) Modbus 协议是一个有名的可从一个主站访问多个工业设备的简单协议。EISC 产品支持这个协议。对于熟悉这个协议的 人来说，使用功能码 3(Read Holding Registers),6(Preset Single Register)和 16(Preset Multiple Register)配置和访问 EISC 的状态非 常容易。通过寄存器的传送，监管的主站 PLC 可监测单个交换机端口的状态。 中继 中继或链路聚合，是提高交换机与交换机连接的吞吐量的方法或称之为骨干网连接。通过分配单个端口为骨干端口，在 交换机间可产生平行路径以提高吞吐量。这种方法的不利一面是减少了连接设备的可用端口的数量。 服务质量(QoS) ?????? www.autozhaopin.com 服务质量是对某些传送授权优先权的方法。有多种方案存在。有些方法基于端口与端口的基础授权，其它方法检查发送 的以太网帧的字段。在 EISC 和 EISX 型号上，QoS 支持有所不同。 虚拟局域网(VLAN) VLAN 允许网络通讯通过一个交换机进行逻辑分隔，产生更高的性能和高度的网络安全。交换机上的端口必须分配给单 个的 VLAN，因此， VLAN 通讯仅局限在这些端口上。EISC 和 EISX 都通过端口分配提供了 VLAN 支持。 简单网络管理协议(SNMP) EISX 提供管理功能选项。管理型交换机定义在对 SNMP 的支持。管理型交换机作为 SNMP 代理工作，维持一套标准化 的对象如提供了交换机上多个端口状态信息的 MIB II(管理信息库)。通过管理软件，可设置陷入以在交换机正常工作时对感兴趣 的事件进行触发。 自动－MDIX 该特性提供了自动交叉功能，避免了单个上连端口的使用或交叉电缆的使用。带有自动－MDIX 允许的端口可决定在链 路通讯时决定正确的连接。 端口镜像 交换机将通讯仅限制在与某次传送有关的端口上。这消除了将无关的信息发送到其它端口上。 多播过滤 多播指一个站发送至多播组内的其它端口。由于交换机通常对目的站点的位置不了解，它会对所有端口发送，交换机的 优势没有了。通过分配端口至多播组，通讯量降低在感兴趣的端口，避免了无用的信息发送至组外设备。 静态转发表 交换机维持站点地址和端口分配表。这些表通过观察以太网帧内的源地址以自学习方式连续不断地更新。这个自动方式 可通过手动直接分配地址到地址存储器内进行覆盖－避免了地址表间歇地更新。 快速生成树(RSTP) 快速生成树协议(IEEE802.1w)是一个生成数据传送冗余路径地标准方法，因此生成了一个高水平的可靠性。与私有的光 纤环路协议不同，RSTP 不要求光纤的唯一使用，允许附属的冗余路径。恢复时间通常为 1 秒或更少。RSTP 与原来的 IEEE802.1d 快速生成树协议(STP)保持向后兼容，STP 的恢复时间比 RSTP 慢。 OPC 服务器 用于控制行业内的交换过程数据的 OPC 是个流行方法。拥有一个 OPC 服务器，受管理的交换机数据可提供至兼容的人 机界面用于与其它过程数据一起显示，允许了整洁一致的屏幕外观。 ?????? www.autozhaopin.com Web 服务器 交换机内置了 web 服务器后，对交换机的配置可通过一个标准的 web 浏览器在以太网上实现。这也是一个好的方法以确 保网络的准确工作，特别是在远程地点。 内部温度传感器 SNMP 的优点是设备供货商可定义一个私有的管理信息库(MIB)以访问供货商产品的一个特殊特征。EISX 产品中的内部 温度传感器就是一个例子。一个管理程序可访问 EISX 的内部温度并在温度过高的情况下设定一个陷入。 现场升级软件 科动控制公司将不断地优化它的交换机产品，增加相应的功能。免费的软件升级可通过 www.ctrlink.com.cn 进行并可下载 至现场安装的设备。工作站上运行的配置软件升级亦可下载。 工业以太网入门教程[第 5 讲]——选择正确的产品需要考虑的问题 CTRLink 工业以太网产品家族包括几个系列的产品，分别归类为集线器、交换机、接口转换器、路由器和视频产品。现代的 工业以太网网络都是以星型方式用双绞线或光纤连接 的。如果网