帮助您建立和维护工业以太网网络的技巧和技术。
工业以太网用于连接设备，如plc，本地和分布式I/O，伺服控制器和驱动器在工厂和工业设施。在这种能力下，它连接许多硬件—有许多电缆、连接和配置选项。
为了实现可视化和监控，工业以太网将基于pc和嵌入式的人机界面连接到控制器，并相互连接。它还用于将人机界面连接到互联网，以及运行历史、质量、制造和其他企业应用程序的上层服务器。
所有这些工业以太网通信都需要两件事:物理连接或层，以及基于协议的配置。物理连接定义了电气、电缆和连接要求。协议配置指定通信消息中数据的通用语言。
交换机是任何以太网安装的重要组成部分，托管交换机通常可以显著提高网络的性能。（来源:AutomationDirect.com）
从最基本的开始
工业以太网电缆是不一样的，所以在设计和选择电缆时要考虑网络速度。然后选择设备间通信的通信协议。
一旦确定了协议和网络速度需求，您将面临选择贴片电缆或交叉电缆的选择，这有关系吗?在商业世界中，大多数设备可以自动交叉(auto - mdix)和使用交叉布线，但并不是所有工业设备都可以。因此，建议将终端设备(如plc、HMIs)连接到以太网交换机时使用贴片线，将终端设备直接连接到一起时不需要交换机。
RJ-45连接器用于大多数以太网连接，但许多设备使用相同的连接器用于RS-232。在插入设备之前，请仔细检查设备的技术数据。
了解了连接后，在工业以太网应用中经常会出现屏蔽与非屏蔽的问题。在工业环境中尽可能使用屏蔽电缆是一种良好的设计做法，因为电机、vfd、焊接等经常会产生电气噪声。至少使用Cat5e电缆也是一个很好的实践，但Cat6电缆是更好的选择，特别是对于更高的千兆网速。电缆的选择应根据运行距离、带宽和其他要求进行规定。
另一个需要考虑的性能和兼容性是通信速度和半双工或全双工能力。虽然可以通过使用托管交换机来克服双工兼容性(稍后将详细讨论)，但性能仅限于最慢的设备。
对于大多数工业自动化应用程序，链接速度通常是100mb，这并不重要，因为大多数工业协议不需要接近可用的全速(带宽)。然而，在查看性能时，链接速度是一个附加因素。
以下是使用工业以太网时的一些关键点。
对于半双工设备，该设备(节点)只能发送或接收数据;它不能同时做到这两点。因此，它的性能比全双工安排要慢，全双工安排可以同时做到这两点。另外，由于数据冲突，通常会看到半双工设备在高负载下丢包。
大多数带宽大于或等于100mb的设备(节点)使用全双工。虽然这加快了数据传输，但仍然存在兼容性问题。
设备A有一个以太网端口，设备B也有一个以太网端口，但是设备A和设备B之间可能无法通信。很有可能，这些设备正在使用更多的层来进行通信，而不仅仅是以太网。他们可能使用基于开放系统互连(OSI)模型的多层，OSI模型为通信定义了七个层(图1)。使用的每一层都应该被两个设备理解。
开放系统互连模型是一个常见的参考模型，展示了应用程序如何通过网络进行通信。
在大多数操作系统中，较低的OSI层的物理介质数据以MAC地址链接，以IP地址网络，并以TCP或UDP传输，这两种设备都能理解。通常需要更多的研究来了解一些最上层——如会话、演示和应用程序层——是否对两个设备都是通用的。
工业上应用层协议的一些例子有Modbus TCP、Ethernet/IP和Profinet。然而，即使有兼容的层，两个网络设备都必须支持协议功能。
非托管与托管交换机
工业以太网拓扑结构包括总线、环形和星形。总线和环类似于菊花链连接，其中一根电缆在每个设备之间跳动。总线拓扑有点过时，而较新的环拓扑增加了容错能力。然而，大多数工业以太网安装使用星形拓扑结构，一些环形连接以减少电缆运行距离。
在星型拓扑中，交换机将设备连接到中心接入点。以太网交换机有非托管和托管两种配置。对于非托管交换机，有些应用程序和情况是有意义的，而在其他情况下，托管交换机是更好的选择。
当连接一个设备到一个交换机，它自动协商到一个商定的速度和双工模式。自动协商可能很棘手，而且经常会失败。最好使用托管开关关闭自动协商，并将速度和双工固定到双方已知的工作设置。当将不同制造商的设备连接在一起时，这一点特别有用。
对于一个在相对较小的区域内只有5个或更少设备的简单网络，非托管交换机通常可以工作，而且它总是比托管交换机便宜。
对于具有多个制造商的多个设备的大型应用程序，可以考虑使用托管交换机。这些应用程序通常包括广泛的多播，例如使用以太网/IP，并且分布在很大的区域。在大多数复杂的应用程序中，托管交换机的配置和问题解决特性很容易超过非托管交换机的成本溢价。
IP地址和MAC地址是针对特定设备的。但是还有另外两种类型的消息是针对多个设备的:广播和多播。虽然需要路由器来停止广播消息，但管理交换机可以通过IGMP snooping智能地将组播消息路由到正确的端口。交换机将知道哪些端口应该接收组播消息(通过“IGMP Join”消息)，并只向这些端口发送消息，从而提高系统性能。
托管交换机可以过滤出以太网/IP中使用的多播消息。托管交换机还可以防止网络关闭，如果有人意外环路交换机。
如果不受管理的交换机错误地连接在一起，就会发生广播风暴并关闭网络。托管交换机通过关闭环的一条路径来防止这种情况发生。如果工作路径发生了变化，开关就会切换到另一条路径，这也提供了一定程度的冗余。
子网划分和网络
媒体访问控制(MAC)地址是设备的“硬”物理地址。地址是在生产过程中设置的，不应该改变。尽管也有例外，硬编码MAC地址是设计的初衷。没有此地址，以太网数据包不能进入设备。然而，通信设置或配置很少需要这个地址，因为另一个协议，称为地址解析协议(ARP)，通常会自动检索它并将它与IP地址相关联。
IP地址是设备的逻辑地址，用于标识特定设备的地址和网络。一个IP地址，如192.168.070.001，包含两个标识符:网络地址和主机地址。网络地址帮助设备和路由器决定将消息发送到哪里。主机地址标识该网络上的特定设备。子网掩码，例如255.255.255.000，决定了IP地址的哪一部分是网络地址，哪一部分是主机地址。
子网掩码确定IP地址中网络和主机的部分。掩码中只要有1,IP地址对应的位位置就是网络地址的一部分。只要掩码中有0,IP地址对应的位位置就是主机地址的一部分。
默认的网关地址和路由器可以连接到其他网络。根据IP地址和子网掩码，设备只能向其网络上的其他设备发送和接收以太网消息。如果一个设备需要与另一个网络中的设备通信，就需要一个路由器。为了将消息发送到另一个网络，设备将把消息发送到默认网关地址，也就是路由器的IP地址。
局域网(LAN)和广域网(WAN)的定义差别很大，但一般来说，局域网是包含交换机和集线器的网络。一旦网络穿过路由器，这些网络就被包含在广域网内。
子网的细节
如上所述，IP地址与子网掩码结合在一起，从逻辑上将网络划分为通常执行相同工作的子网。子网由路由器分隔，消息可以通过默认网关地址(路由器地址)穿越这些路由器。如果两台设备在同一局域网内，且需要相互通信，则子网必须兼容，主机地址不能重复。如果没有，它们就不能在没有路由器的帮助下相互通信。
要确定在没有路由器的情况下，两个设备是否可以在局域网中相互通信，可以将每个设备的子网掩码应用于其各自的IP地址，以查看得到的网络地址是否相同。如果是，他们应该能够交流。这个计算可以手工完成，但有很多网站和移动应用程序可以辅助。
例如，在www.subnet-calculator.com上，用户只需输入IP地址和子网掩码，它就会计算可以相互通信的可能设备的范围。该工具还包含另一个称为网络类的概念。网络分类是由设备(主机)少的子网多，还是由主机多的网络少(如Internet)决定的。对于公司内部的大多数私有网络，B类或C类将是选择的网络类别。
远程访问路由器和防火墙
远程访问速度正在提高，减少了现场进行许多监视、调整和故障排除活动的需要。然而，访问路由器和防火墙后面的设备增加了远程设备连接的复杂性。
NAT是网络地址转换的缩写。NAT的目的是允许一个设施让许多设备访问互联网，而不需要为每个设备提供一个公共IP地址，因为每个所需的公共IP地址都有相应的成本。路由器/防火墙将转换进出互联网的信息的IP地址，这样公司网络之外的任何人都只能看到公共IP地址。
端口转发是路由器/防火墙的一个特性，它允许来自Internet的消息到达网络内部的一个特定设备。发送的消息被自动处理。路由器通过端口号跟踪消息在网络中的来源，并匹配原始消息的响应。但是路由器并不知道通过IP地址发送传入消息到哪里，因为发送消息的设备并不知道所有设备的内部IP地址。端口号用于此目的。
路由器有一个配置表，允许用户通过指定接收消息的端口号来确定正确的内部IP地址。但是端口转发并不是允许远程访问的最安全的方法，因为打开端口会为其他设备打开一扇门，从而引发麻烦。
VPN是一种更安全的远程访问设备的方式。虚拟专用网络(VPN)从远程设备连接到具有VPN服务器功能的路由器/防火墙，使它们看起来像是在同一个本地网络中共存。通过本地VPN路由器或PC或设备上运行的VPN客户端软件工具，建立本地设备与远端设备之间的连接。一旦连接成功，VPN服务器就会给远端设备一个内部网络的IP地址，远端设备就可以与内部网络中的设备进行通信，无需路由。
配置和连接VPN有不同的方法，这些连接在初始设置时可能更加复杂和困难。但一旦这一初步努力完成，vpn将提供更简单、更安全的远程连接。
Wireshark搜寻问题
在受管理的交换机中有许多诊断信息可用。以下是如何访问和理解这些信息。
端口镜像可以用于指定从一个或多个设备发送所有消息的端口。运行免费工具“Wireshark (www.wireshark.org)”的PC机也可以连接到该镜像端口。Wireshark将抓取并显示来自这些设备的所有消息，这将准确地显示通信方式中正在发生的事情。当连接和配置完成但问题仍然存在时，此工具将提供帮助。
这个Wireshark故障排除工具仪表板可以分析以太网数据和检测问题。
Wireshark是一个非常有用的工具，您不必成为协议专家，也可以使用它来解决大多数以太网问题。对于更复杂的问题，您可以捕获数据，将其保存到一个文件中，并将其发送给其他协议专家。它可以为您节省数小时数小时的故障排除时间。
AutomationDirect
www.automationdirect.com
通过Chris Harris, AutomationDirect.com的团队领导-技术援助组
了下:设计世界的文章，以太网—线缆•集线器•交换机，人机界面•操作界面•监视器，网络•连接性•现场总线，plc +政治行动委员会
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