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使用兼具耐用性與確定性的工業乙太網路來代替標準乙太網路

作者:Bill Giovino

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

對於區域網路 (LAN) 和廣域網路 (WAN) 而言,乙太網路是最常用的有線網路標準。雖然標準乙太網路看似瞬間就能建立通訊,但在網路上傳送的數據封包,實際上不一定能在指定的固定時間內到達目的地連接埠。

這種非確定性在工業應用中可能會帶來問題,因為有時延遲傳送訊息可能會造成生產線停擺,或人員受傷。為了提供確定性,現可使用改良版「工業」乙太網路。

本文將討論工業乙太網路的要素,並探討 Delta Electronics 的兩款乙太網路交換器,這兩款產品能構成確定性工業乙太網路的基礎。

乙太網路確定性的需求

乙太網路是一種實體網路標準,此標準定義了數據封包網路傳輸所使用的實體層纜線和連接器。標準乙太網路使用 TCP/IP 協定套組來定義連網裝置之間的數據交換方式。但是,即使在區域網路中,TCP/IP 仍然不具確定性,並可能發生長達上百毫秒的延遲時間。連接工業自動化系統的工業區域網路,並不允許發生這種情形。這種系統的數據封包或訊息常需要在指定時間範圍內送達,而且回應時間必須快達 10 ms,甚至低於 1 ms (極端情況下)。

Profinet 是另一個普遍用於工業網路的乙太網路訊框格式 (又稱為通訊協定)。比起完整的 TCP/IP,Profinet 是一個更簡易的替代方案。Profinet 的即時版本 Profinet RT 會將數據優先排序,以在較緊湊的時限下傳送高優先度的過程控制訊息。與時間較無關的狀態訊息,優先度則較低。但是,Profibus RT 仍然不具確定性。為了提供確定性,目前也開發了等時版本的 Profinet RT,稱為 Profinet IRT。

Profinet IRT 之所以能達到確定性,因為此標準在網路頻寬上應用時槽排程:IRT 數據使用一個時槽,RT 和 IP 數據使用另外一個。如此一來,使用 IRT 時槽的裝置能透過時脈設定,以確定的方式來接收數據。

必須注意的是,如果工業乙太網路是以 Profinet IRT 等確定性通訊協定為基礎,則所有連網裝置也必須和 Profinet IRT 相容。因此,IP 相機或硬體防火牆等典型的 TCP/IP 裝置,不適用於這種網路。這提供了一層安全性,避免有人擅自操作未經授權的連網裝置。

捨棄乙太網路集線器,改用堅固耐用的交換器

乙太網路集線器屬於中繼器,因此本來就具有不確定性。從單一連接埠接收到的數據封包,會轉送至集線器網路上的所有其他連接埠。因此,假設一個集線器連接了 25 個連接埠,而且埠 3 要將數據封包傳送給埠 22,那麼此集線器會向所有連接埠傳送此數據封包,而不只是傳送至埠 22。由於所有連至此集線器的連接埠共用相同的頻寬,因此增添的連接埠越多,頻寬競爭越激烈。這會提高碰撞的可能性,令封包延遲傳送並導致無法達到確定性。此外,此設定使得一個集線器一次只能傳送一個訊息。如果有另一個連接埠需要傳送數據,必須等待網路淨空。這就是為什麼乙太網路集線器本來就具有不確定性。

另一方面,乙太網路交換器是一種智慧型裝置。此裝置會將所有插入交換器之裝置的唯一媒體存取控制 (MAC) 位址,儲存於內部 MAC 位址表 (一般位於高速 RAM 中)。交換器知道每個與交換器相連之裝置的 MAC 位址,因此能只將數據封包轉送至要接收數據的連接埠。所以,假設埠 3 將數據封包傳送至埠 22,交換器只會將數據封包傳送至埠 22。

交換器能管理多個同時進行的數據通訊。因此,在埠 4 將數據封包傳送至埠 7 時,埠 3 能將數據封包傳送至埠 22。這能避免像乙太網路集線器一樣總發生碰撞,並提升整個網路的速度、效率和傳輸量。由於只有交換器的已知切換速度 (如交換器的規格書所指定) 會導致延遲,因此在建構具確定性的乙太網路時需要使用網路交換器。

網路交換器也會額外增加安全性層。由於每個連接埠只會接收到其預期接收到的數據封包,因此無法利用插入某個連接埠中的裝置來監測網路。

工業乙太網路交換器,也比商用乙太網路交換器更耐用。商用交換器適合用於輕型的家庭或辦公室用途,工業乙太網路交換器則能承受嚴苛的工廠環境,以及更強烈的振動、衝擊和極端溫度。此外,工業乙太網路交換器能安全用於爆炸性氣體環境,並耐受腐蝕性大氣。

DIN 軌道安裝式乙太網路

Delta Electronics 的 5 埠 DIN 軌道安裝式 DVS-005W01,是工業乙太網路交換器的典範 (圖 1)。

Delta Electronics 的 DVS-005W01 工業乙太網路交換器圖片圖 1:Delta Electronics 的 DVS-005W01 工業乙太網路交換器是一款耐用的交換器,能承受嚴苛的工業環境。此產品支援五個乙太網路埠,並具備 IP40 防護等級。(圖片來源:Delta Electronics)

DVS-005W01 和任何其他乙太網路交換器一樣,只會向接收埠傳送數據封包。此產品支援高達 100 Mbit/s 的 100Base-T 傳輸速度。MAC 位址表支援 1024 個條目,並提供 512 Kbit 封包緩衝記憶體以儲存轉送的封包。此外,商用交換器和集線器使用單一電源供應器,DVS-005W01 則具有兩個 12 至 48 V 的備援電源輸入,因此即便一個電源供應器故障,也能輕易啟動第二個備用電源供應器,而不需額外使用任何外部硬體。

DVS-005W01 支援 1 Gbps 內部切換速度 (即網路交換器在處理傳入和傳出的數據封包時的內部速度)。這是確定性行為的一項重要規格,因為切換速度越快,延遲時間就越短。

對於更複雜的工業網路,Delta Electronics 也提供 16 埠式 DVS-016W01 乙太網路交換器 (圖 2)。

Delta Electronics 的 DVS-016W01 工業乙太網路交換器圖片圖 2:Delta Electronics 的 DVS-016W01 支援 16 個乙太網路埠,並採用 DIN 軌道安裝方式或壁掛式。(圖片來源:Delta Electronics)

DVS-016W01 的 MAC 位址表支援 8192 個條目,並具有 1 Mbit 封包緩衝記憶體。其支援 3.2 Gbps 內部切換速度。

Delta Electronics 的 5 埠和 16 埠式交換器都是非網管型交換器,也就是說,基本上都是隨插即用。每當在其中一個連接埠中插入網路裝置時,交換器就會自動偵測此裝置的 MAC 位址,並將此位址儲存於內部 MAC 位址表。每當交換器重新啟動時,交換器也會自動偵測 MAC 位址。網管型交換器則可對每個連接埠進行流量控制,需要在設定時進行配置。

為了補強交換器,還提供 IP67 或 IP68 防護等級的工業乙太網路纜線。這種乙太網路纜線能承擔重型負荷,並能承受極高或極低的溫度、腐蝕性溶劑、浸水環境,以及其他不當的使用方式。工廠中使用的纜線,有時可能會承受彎曲、扭轉、拉伸和衝擊力道,工業乙太網路纜線在這方面的耐受力也較高。

結論

工業自動化應用對通訊延遲、確定性和硬體耐用性的要求,遠超過標準乙太網路能力所及。但如同本文所述,設計人員和作業線運作工程師能使用確定性通訊協定和現成的交換器及配線,提供工業強度的乙太網路。

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關於作者

Bill Giovino

Bill Giovino 是電子工程師,擁有美國雪城大學的電機工程學士學位,也是少數從設計工程師跨足現場應用工程師,再到技術行銷領域的成功典範之一。

Bill 過去 25 年來熱衷於向科技和非科技業的對象推廣新技術,包括 STMicroelectronics、Intel 和 Maxim Integrated 等多家企業。Bill 在 STMicroelectronics 任職期間,曾協助領導該公司順利進軍微控制器領域。在 Infineon 任職時,則策劃出該公司首款在美國汽車業大受歡迎的微控制器設計。Bill 目前是他個人公司 CPU Technologies 的行銷顧問,曾協助諸多企業讓表現不佳的產品重獲市場青睞。

Bill 更是採用物聯網的先驅,包括在微控制器中首次納入完整的 TCP/IP 堆疊。Bill 致力於推廣「用教育促成銷售」的理念,也認可在線上推銷產品時有清楚完整文字說明的重要性。他在 LikedIn 熱門的半導體銷售和行銷群組中擔任管理員,也擁有深厚的 B2E 知識。

關於出版者

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