文/孟飛

工業(yè)以太網(wǎng)它的成本低，效率高，方便安裝且功耗較低吸引了越來越多的廠商?？刂葡到y(tǒng)和自動化系統(tǒng)通常使用的該技術(shù)來完成任務(wù)。核電力的實際應(yīng)用在許多領(lǐng)域，電力和運(yùn)輸是一個復(fù)雜的工業(yè)，控制環(huán)境變化使用戶對以太網(wǎng)的可靠性的要求也越來越高。為了保證整個通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不受干擾通信系統(tǒng)的影響，或產(chǎn)生其他通信或通信系統(tǒng)癱瘓的問題，以太網(wǎng)冗余技術(shù)被廣泛采用來提高容錯率。

1 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

以太網(wǎng)具有通信速率高、兼容性好、互聯(lián)擴(kuò)展性好、功耗低、安裝方便等優(yōu)點。所謂的工業(yè)以太網(wǎng)是什么？其實就是在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)，與其他以太網(wǎng)的技術(shù)都是類似的。因此，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)繼承了以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線相比較具有很多優(yōu)點。主要的有點體現(xiàn)在下面幾個方面：

（1）以太網(wǎng)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的應(yīng)用中最為廣泛，它得到了廣泛的技術(shù)支持。以太網(wǎng)最典型的應(yīng)用形式是以太網(wǎng)+TCP/IP+Web。常用的編程語言，如Java、Visual C++和Visual Basic，都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)，這些編程語言特別受歡迎，軟件開發(fā)人員都喜歡應(yīng)用這些編程語言，開發(fā)前景一片良好。工業(yè)控制領(lǐng)域采用以太網(wǎng)通信，可以選擇更多的開發(fā)工具，開發(fā)環(huán)境。

（2）由于商用以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，主要的通信設(shè)備開發(fā)商和制造商致力于以太網(wǎng)交換機(jī)的開發(fā)和生產(chǎn)，這使得工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)更便宜。因為他應(yīng)用的廣泛，硬件價格很低，現(xiàn)在以太網(wǎng)網(wǎng)卡它的價格在現(xiàn)場總線價格的十分之一左右，而且隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，其價格還會更低。

（3）目前，該技術(shù)比較成熟，廣泛使用的以太網(wǎng)通信速率為10M、100M和1000M。這比任何當(dāng)前的現(xiàn)場總線都快。因此，以太網(wǎng)能夠滿足工業(yè)控制對帶寬不斷增長的要求。

（4）基于TCP/IP協(xié)議模型的以太網(wǎng)是完全開放的。因此，信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)無縫集成。因此，嵌入式控制器、智能現(xiàn)場測控儀器和傳感器可以方便地連接到現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，甚至管理網(wǎng)絡(luò)。

2 環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)

以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)是環(huán)網(wǎng)冗余最為簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。任何網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都有一個交換機(jī)和兩個相鄰的節(jié)點。如果其中一個端口被設(shè)置成了默認(rèn)阻止，那么我們可以認(rèn)為交換機(jī)此時工作正常，用來防止以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)，并且保證它在物理上是一個循環(huán)，不論它有沒有邏輯循環(huán)。所以，一般主交換機(jī)有兩個端口，同時也存在兩個檢測問題的辦法。首先端口為主端口和輔助端口，檢測方法為故障報警以及循環(huán)檢測，主端口包括環(huán)路上其他設(shè)備的端口，輔助端口為擁塞端口一般只存在一個，而檢測主要是為了保證環(huán)網(wǎng)的連通性，以防發(fā)生問題。

（1）主設(shè)備節(jié)點首先要轉(zhuǎn)發(fā)端口，其次發(fā)送循環(huán)檢測，所謂循環(huán)檢測就是按照規(guī)定時間發(fā)送檢測幀，它的功能為檢測環(huán)網(wǎng)的問題，當(dāng)它正常工作時主設(shè)備節(jié)點的下級端口就會接收環(huán)網(wǎng)一周左右的檢測幀，但是在規(guī)定時間中沒有接收到檢測幀，主設(shè)備節(jié)點會快速的打開阻塞端口。以此保證它在邏輯上的線性結(jié)構(gòu)，緊接著主設(shè)備節(jié)點要進(jìn)行的是清空交換機(jī)中的轉(zhuǎn)發(fā)表（FDB表），清空之后會發(fā)送數(shù)據(jù)包，然后剩下的節(jié)點都會跟從主設(shè)備節(jié)點清空FDB表。這樣的話所有交換機(jī)就會學(xué)習(xí)新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。交換機(jī)的接口出現(xiàn)問題時就會向主設(shè)備節(jié)點報警，以此來打開擁塞控制，然后清空FDB表，一般的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)都存在兩個接口，任意一個發(fā)生問題都會報警。在最后主節(jié)點將數(shù)據(jù)包發(fā)送到環(huán)上的每一個節(jié)點，節(jié)點接到指示后清空FDB表并學(xué)習(xí)全新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（2）環(huán)網(wǎng)冗余切換機(jī)制在環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)問題的情況下，主要的設(shè)備實現(xiàn)節(jié)點定期發(fā)送測試幀在主端口，如果環(huán)網(wǎng)故障恢復(fù)，那么下一個測試幀就會準(zhǔn)時接收端口，然后主節(jié)點就會恢復(fù)正常，從時間端口就會擁塞控制包，更新FDB表，給傳輸節(jié)點發(fā)送控制消息，傳輸節(jié)點接收指示，根據(jù)指示內(nèi)容也會更新FDB表，并學(xué)習(xí)新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

3 以太網(wǎng)中環(huán)網(wǎng)冗余的具體實現(xiàn)

之所以快速環(huán)網(wǎng)會被研究出來，主要是為了方便用戶發(fā)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)中存在的問題，以方便及時的修復(fù)，以免造成更大的損失。這個技術(shù)是美國知名的控制公司研究實現(xiàn)的，它的工作原理主要如下：當(dāng)環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)斷鏈的問題時，就可以在交換機(jī)上報警，用戶就會收到報警的消息，從而及時的處理問題，該項技術(shù)的優(yōu)點就是，可以快速的修復(fù)環(huán)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)上的故障，也是以此來減少因故障帶來的損失。

快速環(huán)網(wǎng)技術(shù)使用過程中時，我們可以形成一個簡單地環(huán)網(wǎng)，首先在眾多交換機(jī)當(dāng)中設(shè)置一個主交換機(jī)，其次把每一個交換機(jī)的兩個端口相互連接，還需要把每個交換機(jī)都設(shè)置成快速環(huán)網(wǎng)，這樣連接的兩個端口就可以保持正常運(yùn)行。

在主交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)中會存在備用端口，所謂備用端口就是在緊急情況下可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)修復(fù)的。網(wǎng)絡(luò)在正常運(yùn)行時，備用端口進(jìn)入休眠狀態(tài)，不會影響每個交換機(jī)之間的相互工作，如果備用端口被激活。那么就證明線纜連接中出現(xiàn)了問題，備用端口就會發(fā)揮它的作用，保證環(huán)網(wǎng)工作的正常進(jìn)行，指導(dǎo)主交換機(jī)發(fā)起報警，出現(xiàn)的問題被修復(fù)之后，備用端口就會再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。而且快速環(huán)網(wǎng)還可以支持雙環(huán)網(wǎng)的連接，在每一個方面都會擁有更大的靈活性。

4 總結(jié)

隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其可靠性越來越受到重視。保證工業(yè)以太網(wǎng)可靠性的方法是利用設(shè)備冗余為以太網(wǎng)中的交換設(shè)備和鏈路提供冗余保護(hù)。