连接部件： 　　FC 快速连接插座 　　

ELS(工业以太网电气交换机) 　　

ESM(工业以太网电气交换机) 　　

SM(工业以太网光纤交换机) 　　

MC TP11(工业以太网光纤电气转换模块) 　　

通信介质： 　　普通双绞线，工业屏蔽双绞线和光纤 　

SIMATIC PLC控制器上的工业以太网通讯处理器。用于将SIMATIC PLC连接到工业以太网。 　　

PG/PC 上的工业以太网通讯处理器。用于将PG/PC连接到工业以太网。

编辑本段集线器 (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。

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。

  接口、主处理器、内存、FLASH、电源系统等
n所有路由器（交换机）都有接口（Interface），每个接口都有自己的名字和编号。一个接口的全名称由它的类型标志与数字编号构成，编号自0开始。
n　　对于接口固定的路由器（交换机）或采用模块化接口的路由器（交换机）在接口的全名称中，只采用一个数字，并根据它们在路由器（交换机）的物理顺序进行编号，例如Ethernet0表示第

MOXA工业以太网的硬件设备主要有以下几种产品：

一、串口设备有：

 １、MOXA 4口RS-232/422/485 IEEE 802.11b/g设备无线联网服务器NPort W2004：

以太网接口 以太网：10/100 M，RJ45，自动MDI/MDIX
电磁保护：内置1.5 KV
无线局域网
标准：IEEE 802.11b/g
信号类型：DSSS/OFDM
发射功率
802.11b：最大20 dBm
802.11g：最大18 dBm
接收灵敏度：-80 dBm
传输速率：54 Mbps (最大) 速率自动回退 (54，48，36，24，
18，12，11，9，6，5.5，2，1 M)
传输距离：最大300米 (@12Mbps，开阔区域)
天线连接器：反相SMA
网络模式：基本结构模式，对等模式
安全性：WEP 64位/128位数据加密
串口 标准：RS-232/422/485
数量：4个
接头：RJ45，所有串口提供15KV ESD保护
控制台端口：RS-232控制台端口
RS-485数据方向控制：ADDC™ (专利)
串口通讯参数 数据位：5，6，7，8
停止位：1，1.5，2
校验位：None，Even，Odd，Space，Mark
流量控制：RTS/CTS，XON/XOFF
速率：50 bps ~ 460.8 K bps
串行信号 RS-232：TxD，RxD，RTS，CTS，DTR，DSR，DCD，GND
RS-422：Tx+，Tx-，Rx+，Rx-，GND
RS-485 (2线)：Data+，Data-，GND
RS-485 (4线)：Tx+，Tx-，Rx+，Rx-，GND
软件特点 协议： ICMP, IP, TCP, UDP, DHCP, Telnet, DNS, SNMP,
HTTP, SMTP, SNTP, SSH, HTTPS
配置：Web Console, Serial Console, Telnet Console
配置工具：NPort® Search Utility和NPort® Windows Driver
manager
驱动支持：Windows Real COM driver (for Windows 95,
98, ME, NT, 2000, XP, 2003, Vista, XP x64, 2003 x64,
Vista x64), Linux Real TTY driver, Fixed TTY driver (for
SCO Unix, SCO OpenServer, UnixWare 7, UnixWare 2.1,
SVR 4.2, QNX 4.25, QNX 6, Solaris 10, FreeBSD, AIX 5.x,
HP-UX 11i)
物理特性 外壳：SECC钢板 (1 mm) IP30等级保护
重量：873 g
尺寸： 无天线：45.8 x 135 x 105 mm (1.80 x 5.31 x 4.13 in)
含天线：45.8 x 204 x 142 mm (3.94 x 8.03 x 5.59 in)
环境参数 工作温度：0 ~ 60 °C (32 ~ 140 °F)
工作湿度：5 ~ 95%RH
存储温度：-20 ~ 85 °C (-4~185 °F)
电源需求 电源输入：12 ~ 48 VDC
电源功耗：685 mA @ 12 V，340 mA @ 48 V，184 mA @ 24 V
安规认证 EMC：CE (EN55022和EN55024 Class A，ETSI EN 301
489-17, ETSI EN 301 489-1), FCC (Part 15 Subpart C,
Part 17 Subpart B Class A)
安全：UL (UL60950-1)，TÜV (EN60950-1)
可靠性 MTBF：81,501 hours
对于不便于接线的情况，串口设备无线联网服务器是最理想的解决方案。当使用基本结构模式或者对等模式时，可通过一个无线接入点或者另一个NPort® W2004与设备进行通讯。在开阔区域通讯距离可达300米。
２、MOXA 1/2口RS-232/422/485设备无线联网服务器NPort W2150/2250 Plus：

３、MOXA高级Modbus网关，MGate MB3170/3270：

４、MOXA标准Modbus网关，MGate MB3180/3280/3480：

５、 MOXA 1口/2口 DF1- Ethernet/IP网关，MGate? EIP3000 

６、 MOXA 网络冗余型8/16口RS-232/422/485终端服务器CN2600
７、MOXA8/16/32串口机架型安全终端服务器，NPort 6600系列

 ８、MOXA4串口设备安全联网服务器，NPort 6450
９、MOXA2串口设备安全联网服务器，NPort 6250
１０、MOXA1串口设备安全联网服务器，NPort 6150
１１、MOXA10/100 Mbps 嵌入式设备联网模块 (RS-422/485)..NE-4120A
１２、MOXA10/100 Mbps 嵌入式设备联网模块 (RS-232)，NE-4120S
１３、MOXA10/100 Mbps 嵌入式设备联网模块 (RS-422/485)，NE-4110A
１４、MOXA 10/100 Mbps 嵌入式设备联网模块 (RS-232)，NE-4110S
１５、MOXA 10/100 Mbps 嵌入式设备联网模块(TTL)NE-4100T
１６、MOXA 10Mbps嵌入式设备联网模块NE-4000T
１７、MOXA内嵌式设备无线联网模块WE-2100T
１８、MOXA10/100 Mbps内嵌式串口设备联网模块MiiNePort E1
１９、MOXA 8/16口机架式串口联网服务器NPort 5610/5630
２０、MOXA8口桌面型串口联网服务器NPort 5600-8-DT
２１、MOXA 8/5口入门级非网管型工业以太网交换机EDS-208A/205A
２２、MOXA 8/ 5口聪明型即插即用工业以太网交换

关于ＭＯＸＡ工业以太网设备我厂主要应用的有MOXA 7+3G口千兆PoE网管型以太网交换机、MOXA 8/ 5口聪明型即插即用工业以太网交换机 
做工业以太网主要应用设备。 简单选择2个代表性的产品进行一下讨论吧！
2\工业以太网冗余技术概述
　　由于恶劣的工业环境，使得工业控制网络比商用网络提出了更高的可靠性要求，导致工业以太网的冗余技术应运而生。工业自动化中的以太网冗余技术包括：电源冗余、介质冗余、网络节点冗余等内容。
　　控制系统的基本冗余要求就是通信网络每一部分在出现电源故障后都能够连接到后备电源上，一旦停电，后备电源就开始接替供电，并且通过E—mail或者继电器输出向管理人员发送电源故障警报。介质冗余可以在部分网络网络节点处构成一条备用路径，这就是TSC所倡导的工业以太网环网技术。
　　网络节点冗余是使与设备连接的交换机构建双网络节点，2个网络节点都必须连接到双引导的控制器上。当灾难发生的时候，为保证系统正常运行，控制器确保与终端连接，2个以太网界面均应连接到2个冗余交换机上，并选择较稳定的一条作为主路径。网络冗余即架构一个所有设备都有冗余功能的网络。一个完全的冗余系统包含：冗余交换机、冗余通信端口和一对冗余设备。所有的以太网设备和工作站都必须要连接到2个独立的网络环路中去。完全系统冗余可以形成一个数据流失最少、具备快速冗余时间的可靠网络。
MOXA 工业以太网交换机 ED6008 系列是专为工业应用而设计的8口以太网交换机。它们具有高性能的交换技术，冗余的环网性能，并且能够实时状态汇报，这些可以确保您的工业自动化系统连续运行。

 

ED6008 系列的设备管理功能和网络管理功能，让您更简便的掌握您的自动化以太网络。并且坚固的硬件设计让这些产品更适用在工业环境中。

此外，简便的web浏览器和Windows 配置工具都可以确保您快速、正确的安装。

高性能的网络交换机技术
10/100T(X) (RJ-45), 100FX (多模/单模光纤)
IEEE 802.3/ 802.3u/ 802.3x/ 802.1D/SNMP, DHCP 服务器/客户, BootP
存储和转发交换机制，允许4K地址表
10/100M, 全双工/半双工， MDI/MDIX 自动检测

工业级的可靠性
冗余的以太环网能力( 恢复时间< 300 ms ，全负荷通讯)
Line-swap 快速恢复(正在申请专利)
异常事件的email自动报警
电源故障由继电器输出报警
连接设备的IP地址的自动恢复功能
冗余的，双直流电源输入

坚固的设计
操作温度范围：0到60°C
IP 30, 坚固的高强度的外壳
DIN-Rail 导轨或者面板安装
高 MTBF：超过 230,000小时

实用的工具软件和远程配置
Web浏览器, Telnet/SerialConsole
Windows 配置工具
为在线调试提供端口映射
发送ping命令来确认网络的完整性

其实我们的设备比较简单，每台设备都配一台带光口非管理型交换机在70米的高空，然后通过光口与地面柜子里同一台带光口的非管理型交换机相连。接下来就是这台非管理型的交换机与一台双光口的管理型交换机之间通过电口相连。最后这台双光口的管理型交换机与其他设备间组成光线环网。这个环网自然也与操作室也相连。拓扑图就是如此。

 

至于还有设备包括，光线跳线，尾纤，光线耦合器等

关于ＭＯＸＡ工业以太网设备我厂主要应用的有MOXA 7+3G口千兆PoE网管型以太网交换机、MOXA 8/ 5口聪明型即插即用工业以太网交换机
做工业以太网主要应用设备。

接口、主处理器、内存、FLASH、电源系统等
n所有路由器（交换机）都有接口（Interface），每个接口都有自己的名字和编号。一个接口的全名称由它的类型标志与数字编号构成，编号自0开始。
n　　对于接口固定的路由器（交换机）或采用模块化接口的路由器（交换机）在接口的全名称中，只采用一个数字，并根据它们在路由器（交换机）的物理顺序进行编号，例如Ethernet0表示第

工业以太网交换机分普通交换机、二层交换机、三层交换机和核心交换机。

从应用上讲又分普通型、网管级、电信级、企业级等，价格差别也很大。

交换机一般提供光口和电口支持，所以交换机需要接光纤，需要选用支持光口的交换机。

光纤要接入还需要配置相当数量的光模块。

硬件配置。。。。        

MOXA工业以太网在风力发电远程监控系统中的应用

系统介绍：
某风力发电设备制造商采用以太网的方式来维护和管理其发电设备。该公司是风力发电设备研发制造商中的领导者，其设备畅销全球。目前，世界各国已有许多用户使用其设备开发出了大量风力发电田，并依靠网络通讯的优势有效地来管理风力发电设备。单个风力发电项目可能包含几个乃至几百个风力发电机组，而且各个机组之间的距离可能非常远。不论是远程监测、集中控制还是在苛刻环境下设备的运行能力，该公司都需要通过可靠的网络来及时支持项目的顺利进行。发电机组制造商和用户之间建立了长期关系，厂家要确保设备在项目中的使用时间一般多达20年之多。这就意味着他们除了必须提供全球化的服务之外，其发电系统所使用的各项设备应该具备相对高的可靠性。

该项目包含80多个风力发电机组，分布在占地辽阔的发电田当中。发电机组的顶部配备有一个涡轮发电机，前端是可调整角度的风叶，其转速一般为 10-15转/分。系统可以根据不同的风力状况来调整风叶的倾斜度。风叶的轴与一个齿轮箱相连，而齿轮箱可将转速提升到以1500转/分的转速驱动发电机。每台发电机组都配备有一个由工业PC和PLC组成的控制箱。PLC负责采集风速、风向、轴转速和其他相关数据。通过侦测风向，控制系统便会调整齿轮，使风叶转向适当角度以充分利用风能进行发电。

发电田中的所有的涡轮发电机组都连接在同一个局域网中，各个发电机组顶端的控制箱均使用以太网和塔底部的光纤网络连接。该环网与远程控制站相连形成一个冗余环网。该远程控制站包含SCADA系统和控制系统，可以分析搜集到的数据，从而调整发电机组参数，并向操作人员和维护人员提供报警信息。在整套风力发电系统的网路通讯上，客户选择了Moxa的以太网解决方案。在每个风力发电机组中，客户使用 MoxaEDS-305-M-SC非网管型交换机做为控制箱与整个风电网络通讯的设备；并与使用IMC-101-MSC连接，将多模光纤信号转换为电信号；最后在发电机组底部使用EDS-508-MM-SC 8端口网管型交换机连接另外一台EDS-508-MM-SC交换机，从而形成冗余光纤骨干网实现发电机组之间的通信。发电机组之间冗余的环状拓扑增加了系统的可靠度，同时节省了线材成本。Moxa所有的产品都具备较长的MTBF、高可靠性和出色的性能，客户可以有效地管理和维护他们的系统。此外，Moxa还可以提供全球范围内的售前、售后以及系统升级服务，确保产品与其他系统的兼容性。

MOXA解决方案

1. 采用EDS-508-MM-SC组成冗余光纤环网，以实现长距离可靠通信、并且以环状拓扑减少线材损耗。

2. Moxa提供EDS-SNMP OPC服务器，可在SCADA系统中轻松实现信息集成。

3. 完整以太网解决方案，采用高端网管型交换机、非网管型交换机和转换器，无需进行网络配置，可以满足不同项目需求。

4. 工业级网络设备，可以保证涡轮发电机在苛刻的环境中稳定运行。

关于ＭＯＸＡ工业以太网设备我厂主要应用的有MOXA 7+3G口千兆PoE网管型以太网交换机、MOXA 8/ 5口聪明型即插即用工业以太网交换机
做工业以太网主要应用设备。

工业以太网有那些硬件设备，这些设备如何配置？

1.读条形码可以用扫卡器（不知道学名是什么），RS232口的有很多，直接接上位机。
2.光电传感器种类太多了，我见过SUNX＋三菱Q PLC+网络模块＋上位机的连接方法。各个厂家的产品都差不多，接法相同。好像也有传感器直接接上位机的，我没用过。
3.软件，这里最难，我也不太懂。当然可以用VB做底层开发。

大体的思路是这样的，输入元件采集信号，通过以太网传输，在PC机上由操作者监视、干预、操作，再通过输出设备控制产品去向。

结合实际案例谈谈工业以太网的冗余配置？

 

 

                                                                            冗余工业以太网在高速公路隧道机电系统中的应用

       1 一般来说, 高速公路的隧道无人值守, 并且与监控分中心的距离比较远。必须建设一个适应隧道环境的高可靠性的网络平台, 保证隧道内各种监控数据实时上传, 保证中心对隧道设备的实时控制, 进而实现隧道的正常运营。具有ms 级自愈能力的冗余工业以太网平台是目前的最佳方案选择。

　　2 冗余工业以太网的构成方式

　　所谓工业以太网, 是指在技术上与商用以太网(IEEE802.3 标准)兼容,但材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要的以太网。

　　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(TrunkingTM),都有各自不同的优势和特点。

　　构建冗余网络的主要方式主要有以下几种, S T P 、RSTP;环网冗余RapidRingTM 以及Trunking。

　　2.1 STP 及RSTP

　　STP(Spanning Tree Protocol,生成树算法,IEEE802.1D),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。

　　2.2 环网冗余

　　为了能满足工控网络实时性强的特点,RapidRing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3 0 0 m s之内自行恢复(如图1)。并可以通过交换机交换机

　　交换机的英文名称为“Switch”，它是网络节点上话务承载装置、交换级、控制和信令设备以及其他功能单元的集合体。交换机能把用户线路、电信电路和(或)其他要互连的功能单元根据单个用户的请求连接起来。 它是集线器的升级换代产品，从外观上来看，它与集线器基本上没有多大区别，都是带有多个端口的长方体。交换机是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称。 [全文]
的出错继电连接、状态显示灯和S N M P 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。

 

　RapidRing 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题。

　　2.3 主干冗余

　　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(如图2)。不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 主干网络采用总线总线

　　总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。 [全文]
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。

 

　3 冗余工业以太网在高速公路隧道机电系统中的应用

　　高速公路隧道机电系统包含车辆检测器、气象检测器、环境监测设备、报警与诱导设施、可变标志、通风设施、照明设施、本地控制器(PLCPLC

　　PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 [全文]
)、隧道中心设备及软件、隧道监控中心计算机网络等子系统。

　　隧道中的车辆检测器、气象检测器、可变标志等设备的串口串口

　　串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议，大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备的通信协议，并可用于获取远程采集设备的数据。 [全文]
接入本地控制器(PLC)对应的串口模块,车道指示器、交通信号灯信号灯　　信号灯是指用于电讯，电气等线路中的指示信号，预告信号，事故信号及其他指示信号用的发光装置，广义的信号灯则指用于指示信号用的各种灯具，如交通灯，铁路信号灯等。 [全文]
、风机、照明电源电源电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。[全文]
箱回路的开关开关　　开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 [全文]
量接入本地控制器(PLC)对应的数字模块,环境监测设备的模拟量接入本地控制器(PLC)对应的模拟模块。本地控制器(PLC)通过非屏蔽五类双绞线双绞线　　两根金属线依距离周期性扭绞组成的电信传输线。 [全文]
接入工业以太网交换机以太网交换机　　“以太网交换机”是指带宽在100Mbps以下的以太网所用交换机，其实下面我们还会要讲到一种“快速以太网交换机”、“千兆以太网交换机”和“10千兆以太网交换机”其实也是以太网交换机，只不过它们所采用的协议标准、或者传输介质不一样，当然其接口形式也可能不一样。 [全文]
。

　　通过冗余的工业以太网平台(如图3),隧道内的各种数据可以实时上传监控分中心; 监控分中心可以对隧道内的设备可以远程控制, 如照明灯具的开关、风机的远程启动与停止、在情报上发布信息、对交通信号灯和车道指示标志的状态进行改变等。

　　隧道内环境比较恶劣, 湿度大、灰尘大、电磁干扰强等, 所以采用工业以太网交换机构建冗余工业以太网平台的方案, 以保证隧道的正常运营。

　　4 高速公路隧道机电系统中的冗余工业以太网平台的优点

　　4.1 多重冗余

　　由图3 可以看出, 隧道内的工业以太网交换机和隧道变电所内的工业以太网交换机构成环网一, 工业

上面是我找的关于工业以太网的冗余在高速路上的运用，觉得讲得挺全的，就引用了，非原创。

国产的 性价比那么高  谁还用 这么贵的啊     eth2232d

        要了解工业以太网的冗余配置有必要了解构建工业以太网冗余的几种主要方式：支持生成树或快速生成树的网格网、环网冗余、主干冗余。

1、支持生成树或快速生成树即STP 及RSTP ：STP(Spanning Tree Protocol)，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状态；RSTP(快速生成树算法)作为STP 的升级,将网络中断恢复时间,缩短到1-2s甚至更短。生成树算法网络结构灵活, 但也存在恢复速度慢的缺点。

2、主干冗余：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。

图中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。

3、环网冗余：为了能满足工控网络实时性强的特点，RapidRing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题。

图中用管理型交换机实现RapidRing环网连接，网络中断恢复时间小于300ms。

这里我们再以地铁工业以太网的冗余设计这个实际项目谈谈工业以太网的冗余配置的一个工程实际例子：

1、地铁工业以太网的冗余设计

地铁工业以太网的冗余设计主要包含网络设备的冗余设计和网络拓扑结构的冗余设计。

1. 1 　地铁工业以太网的拓扑结构
        计算机网络的拓扑结构是引用拓计算机网络的拓扑结构是引用拓扑学中研究与大小、形状无关的点、线关系的方法。把网络中的计算机和通信设备抽象为一个点,把传输介质抽象为一条线,由点和线组成的几何图形就是计算机网络的拓扑结构。网络的拓扑结构反映出网中各个实体的结构关系,是建设计算机网络的第一步,是实现各种网络协议的基础,它对网络的性能、系统的可靠性与通信费用都有重大影响。
        地铁工业以太网的拓扑结构源于一般商业以太网的应用,基本上可以分成总线型、星型、环型及树型等几种形式。
       大多数工业现场的用户都比较熟悉总线型的连接,即多个工作站共享一个通用的连接, EIA2485或控制器局域网(CAN)是这种网络的很好例子。但是,总线拓扑结构在工业以太网中已不存在。尽管10BASE2和10BASE5 确实是总线型的、基于同轴线缆的以太网网络,但由于它们局限于10Mbp s的半双工工作状态,更由于它们不被包含在新兴的商业楼宇布线标准TIA /EIA—5682A 中,因此它们的用途在逐渐减少。

图1    北京地铁TCC控制中心的网络拓扑结构

　    基于以上原因,目前工业以太网的布线多采用星型、树型或环型的拓扑结构。图1是北京地铁TCC控制中心的拓扑结构,描述了一个典型的城市轨道交通工业以太网环境。 
        如果不考虑无线网络系统,目前城市轨道交通工业以太网的拓扑结构主要还是星型和环型。基于安全可靠的考虑,冗余双星型和冗余双环型是主流网络拓扑,而环型似乎更受到城市轨道交通建设者的青睐。
1. 2 　地铁工业以太网的拓扑冗余
         通常构建冗余网络的方式主要有两种:一种是继承了传统以太网的冗余自愈方式, 如STP、RSTP 和Trunking等技术;另一种是专门针对工业自动化的实时可靠性,从传统以太网变异出来的各工业网络设备生产厂家的私有环路冗余协议。
2. 2. 1 　STP 及RSTP
         STP ( spanning tree p rotocol)是作为一个链路层协议( IEEE 802. 1D)存在的,提供路径冗余并阻止网络循环发生,其做法是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30～60 s。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1～2 s。STP
网络结构灵活,但存在恢复速度慢的缺点,在很多工业环境中并不适用。
2. 2. 2 　Trunking技术
         这种方式是将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口,并建立连接,可以在交换机之间形成一个高速的骨干链接,不但成倍地提高了骨干链接的网络带宽、增加了网络吞吐量,而且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,以保证网络的通信正常。Trunking主干网络可以采用总线型和星型网络结构,理论通信距离可以无限延长。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,一般恢复时间可以在10 ms以下,如图2所示。

　图2  Trunking技术在车载P IS系统中应用

       在实际应用中,链路A和B几乎都在同一个管道内。即使A、B内的链路是双冗余,但如果管道遭到破坏,则链路与备份链路均会被损坏,达不到用于保护的作用。而交换机2和3不能连通,否则就会形成闭环。如果不打开STP,会产生广播风暴,导致运行瘫痪;如果打开STP,就如上所述,满足不了工业环境的实时性要求。由于Trunking技术并不是为工业网络环境而研发的,所以在工业环境下实际意义不大,在工业环境中的应用是一种“假冗余”技术。正是由于传统的以太网所提供的冗余自愈技术不能满足工业环境的需求,才迫使其产生变异,进化出了自身的冗余自愈技术。
2. 2. 3 　私有环路冗余协议
        在STP之后,为了能满足工业控制网络实时性强的特点,开始采用环路连接网络的方式来实现冗余快速恢复。采用这种技术,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,帮助诊断环网在什么地方出现断开。但不同的工业以太网厂家,研发出不同且不兼容的环路冗余协议: HIRSCHMANN, H IPER R ING;MOXA, TURBO R ING; 卓越TSC, SUPREME R ING;科动, RAPID R ING。
        环路冗余可以采用3种方法,如图3所示(北京地铁亦庄线门禁系统) 。该系统由中央级门禁系统和车站级门禁系统构成,主要完成对控制中心(OCC)大楼各层办公室门、通道门和全线各车站的屏蔽门、办公管理用房及设备房门等的开闭控制管理及安全防护。
        控制中心门禁系统由2台冗余服务器、1台操作工作站及打印机等设备组成。车站级门禁系统由车站级分管理中心、工业冗余环网交换机、门禁控制器等设备组成。

图3  单机单环冗余

在车站A、B端设置的门禁控制器之间,通过工业级交换机构成光纤单环以太网,构成车站ACS现场级环网。环网技术的应用,有效地避免了单点故障对网络的影响。
        图4中的BAS(环境与设备监控系统)是对暖通空调系统、给排水系统、电梯系统、低压配电与动力照明系统等车站机电设备进行全面、有效的自动化监控及管理,保证程序自动、实时、定时、现场就地监视设备运行状态,控制开启和关停,检测环境参数,调控环境舒适度及节能管理。方案充分利用了工业以太网设备的高可靠性和冗余性,使工作站、服务器、PLC等现场设备均实现了双节点接入,避免了单点故障对网络产生影响,为系统的稳定可靠运行打下坚实的基础。
         如图5所示,采用双环的主要优势在于可以用双通道连接,从而避免了单个线缆出错带来的问题。同样,双机也可以避免单个设备出错带来的问题。

图4   双机单环冗余

图5     双机双环冗余

2  轨道交通环形拓扑工业以太网的瑕疵
2. 1 　工业以太网中环形拓扑的瑕疵
以太环网并不意味着完全的冗余,它只是拓扑结构中的一种。由于目前工业以太网的布线系统实际处于布线的初级阶段,应用于工业领域的布线系统及设备还大量采用“缆+头”的连接模式,因此会在目前到将来很长一段时间存在连接故障。同时,工业控制设备及工业以太网设备本身也会存在故障问题,因此工业网络会有很多故障点。环型拓扑提供了某种程度的冗余,但还是有很多单一故障点让一个或多个器件不能通信。在实际中,往往有几个小型交换机连接在环网上。通过单线连接交换机的几个端口,这些入网设备形成了一个标准树形拓扑。如果交换机与设备间的线缆发生故障,设备通信就会因一个点的错误而中断。如果一个交换机中断了和上述所有设备的连接,则这个交换机也就失效,这在过程控制中是不可接受的。图6是几种网络故障情况。

 

图6   网络系统故障

        所以,目前流行的环型拓扑设计是有瑕疵的,它虽然做到了骨干网物理层的冗余、自愈和交换机网络层的冗余,但往往由于城市轨道交通各子系统最终前端设备不支持冗余设计,大多数设备甚至没有预留冗余接口,从而导致整个子系统的冗余自愈设计“虎头蛇尾”,没有真正达到冗余自愈的设计要求。
2. 2 　解决瑕疵的办法
        如果环型拓扑不是冗余的,那么什么才是完全冗余的? 笔者认为,应该包括设备、网络、端口的全部冗余。
2. 2. 1 　关键链路冗余保护器
         针对地铁控制前端设备没有预留冗余接口的情况,研发了关键链路冗余自愈保护器。该设备实际上是这些前端设备外延的冗余自愈保护模块, 其功能是将原控制设备上的网络接口由一变二,从而可接入主辅两个网络系统, 达到冗余保护的目的,如图7所示。

2. 2. 2 　关键链路冗余保护器原理
        网络冗余器可用于连接服务器、路由器等需要网络安全保护的以太网设备,有3个RJ45 接口,分别是输入端口( Protected) 、主输出端口( Primary)和备份输出端口(Backup ) 。在正常情况下, 网络冗余器的Protected端口与Primary端口连接,通过Primary端口进行以太网的通信。当Primary端口的通信线路出现故障时,不需要路由器或服务器向网络冗余器发送数据通信错误的命令,冗余器将自动切换到Backup 端口, Protected 端口与Backup 端口连接, 通过Backup 端口进行以太网通信。当Primary 端口的通信线路故障消除后, 冗余器将自动切换到Primary 端口进行以太网通信(见图8) 。

图8  关键链路冗余保护器原理

2. 2. 3 　实行全部冗余的方案
         图9所示的是实行设备、网络、端口全部冗余的网络拓扑结构, A类PLC设备配置为单网卡, B类PLC设备配置为双网卡。对于两种不同的终端设备A类和B类,如何实现各自的冗余呢? 按照工业冗余方案,双网卡的B类PLC设备可以采用两个网卡分别接到两个环网上,从而实现链路冗余。而对单网卡设备,笔者提出了解决方案:单网卡的A类PLC设备通过一台冗余保护器,接到两个环网上。所谓冗余保护器,是专门为工业冗余网络设计的一款工业级以太网产品,它可以形象地比喻为一个岔路口,分出的两条路都可以到达目的地, 被称为主路和辅路,汽车在这里可以根据情况选择前方两条路径, 平常状况下走主路, 但当主路出故障时改走辅路,从而保证了道路的畅通。

图9  实行设备、网络、端口全部冗余的网络拓扑结构