利用性能稳定的确定性工业以太网替代标准以太网

以太网是使用最广泛的有线网络标准，适用于局域网 (LAN) 和广域网 (WAN)。尽管标准以太网通信常常看似是瞬时完成的，但实际上并不能保证通过网络发送的数据包在指定的固定时间范围内能够到达目标端口。

在工业应用中，这种不确定性可能是一个问题，信息延迟可能导致生产线关停或人员受伤。为了实现确定性，可以使用改良版“工业”以太网。

本文讨论工业以太网的关键要素，并介绍 Delta Electronics 的两款以太网交换机，它们可构成确定性工业以太网的基础。

以太网对确定性的需求

以太网是一种物理网络标准，规定了通过网络传输数据包所需的物理层电缆和连接器。标准以太网使用 TCP/IP 协议套件来定义联网设备之间的数据交换方式。但是，即使在本地网络中，TCP/IP 也具有不确定性，可能会产生高达数百毫秒的延迟。对于连接工业自动化系统的工业局域网来说，这是不可接受的。这些系统对数据包或信息的依赖性往往较大，必须在规定时间内到达，要求响应时间短至 10 ms，在某些极端情况下甚至不能超过 1 ms。

Profinet 是工业网络中另一种常用的以太网帧格式（也称为通信协议）。Profinet 是完整 TCP/IP 协议的一种简化替代方案。Profinet RT（实时）协议对数据进行优先级排序，因此它能在严格时间限制下传输高优先级的过程控制信息。时间依赖性较小的状态信息，优先级也相对较低。但是，Profibus RT 仍具有不确定性。为了实现确定性，等时版 Profinet RT (Profinet IRT) 应运而生。

Profinet IRT 将时隙调度应用于网络带宽以实现确定性：IRT 数据使用一个时隙，RT 和 IP 数据使用另一个时隙。这样，使用 IRT 时隙的设备便可计时，在确定的时间收到数据。

需要注意的是，如果工业以太网网络基于 Profinet IRT 之类的确定性通信协议，那么连接到该网络的所有设备也必须兼容 Profinet IRT。因此，IP 摄像头和硬件防火墙等典型的 TCP/IP 设备将无法在这类网络上运行。这可以防止人员未经授权操作网络上的设备，从而提供一重安全保护。

使用坚固耐用的交换机替代以太网集线器

以太网集线器属于中继器，具备固有不确定性。从单一端口接收的数据包会转发到集线器网络上的所有其他端口。因此，如有 25 个端口连接到集线器，并且端口 3 以端口 22 为目标发送数据包，则集线器不止是将数据包发送到端口 22，而且发送到所有端口。连接到集线器的所有端口均共享同一带宽，因此集线器连接的端口越多，对带宽的争夺就越激烈。这会增加冲突的可能性，造成数据包延迟，以致无法实现确定性。另外，这种设置决定了集线器一次只能发送一条信息。如果另一个端口需要发送数据，其必须等到网络畅通才能发送。因此，以太网集线器具备固有不确定性。

然而，以太网交换机则不同，它是一种智能设备。它将接入交换机的所有设备的唯一媒体访问控制 (MAC) 地址存储在内部 MAC 地址表中，后者通常位于高速 RAM 中。交换机知道与其连接的每台设备的 MAC 地址，所以它可以只向目标端口转发数据包。因此，如果端口 3 向端口 22 发送数据包，交换机只会将数据包发送到端口 22。

交换机可以管理多路同步数据通信。因此，在端口 3 向端口 22 发送数据包的同时，端口 4 可以向端口 7 发送数据包。这就消除了以太网集线器的固有冲突，同时还提高了整个网络的速度、效率和吞吐量。由于导致延迟的唯一原因只有交换机的已知切换速度（交换机的规格书中指定），因此构建确定性以太网络时，必须使用网络交换机。

网络交换机还能提供额外的安全保护。端口只会接收以其为目标的数据包，因此无法通过插入某一个端口的设备来监视网络。

与商用以太网交换机相比，用于工业以太网的交换机更加坚固耐用。商用交换机适合于轻负载的家庭或办公室使用，工业以太网交换机则能承受恶劣的工厂环境，并能抵御更强烈的振动、冲击和极端温度。此外，工业以太网交换机专为爆炸性气体环境安全使用而设计，并且能够抵抗腐蚀性大气。

DIN 导轨安装的以太网

Delta Electronics 的 5 端口、DIN 导轨安装 DVS-005W01 是工业以太网交换机的代表（图 1）。

图 1：Delta Electronics 的 DVS-005W01 工业以太网交换机是一款坚固耐用的交换机，能够承受恶劣的工业环境。它支持 5 个以太网端口，防护等级为 IP40。（图片来源：Delta Electronics）

同所有以太网交换机一样，DVS-005W01 只会将数据包传输到目标接收端口。它支持高达每秒 100 Mbps 的 100Base-T 传输速度。MAC 地址表支持 1024 个条目，具有 512 Kb 数据包缓冲存储器可用于存储转发的数据包。此外，商用交换机和集线器使用单一电源，但 DVS-005W01 有两个 12 至 48 V 备用电源输入。因此，即使一个电源出现故障，第二个备用电源也可轻松接替供电，而无需其他外部硬件。

DVS-005W01 支持 1 Gbps 的内部切换速度，即处理传入和传出数据包时网络交换机的内部速度。该指标是确定性行为的重要规格，因为切换速度越快，延迟越短。

对于更复杂的工业网络，Delta Electronics 还提供具有 16 个端口的 DVS-016W01 以太网交换机（图 2）。

图 2：Delta Electronics 的 DVS-016W01 支持 16 个以太网端口，可采用 DIN 导轨安装或壁装。（图片来源：Delta Electronics）

DVS-016W01 的 MAC 地址表支持 8192 个条目，并有 1 Mb 的数据包缓冲存储器。它支持 3.2 Gbps 的内部切换速度。

Delta Electronics 的 5 端口和 16 端口交换机都是非托管交换机，基本上可以即插即用。只要将网络设备插入一个端口，交换机就会自动检测设备的 MAC 地址，并将该地址存储在其内部 MAC 地址表中。每次电源重启后，交换机也会自动检测 MAC 地址。托管交换机还具备各端口流量控制功能，需要在设置时进行配置。

作为交换机的配套产品，还有 IP67 或 IP68 等级的工业以太网电缆可供使用。这种用于以太网的电缆是重型电缆，可以耐受极端高温和低温、腐蚀性溶剂、浸泡以及其他不当使用。工厂中的电缆可能遭受弯曲、扭曲、拉伸和冲击力，用于工业以太网的电缆也能更好地承受这些情况。

总结

工业自动化应用对通信延迟、确定性和硬件耐用性的要求远远超出了标准以太网的能力。但是，如上所述，设计人员和线路运营工程师可以使用确定性通信协议以及现成的交换机和电缆来实现工业级以太网。