数字化工业网络:工业以太网环网技术

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大家好，我是小智，智能制造之家号主~

前面我们整体解读了工业现场总线、工业以太网和工业无线：

最详细的工业网络通讯技术与协议总结解读（现场总线、工业以太网、工业无线）

也解读了PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP、EtherCAT等7种主流工业以太网：

技术解读PROFINET、Ethernet/IP等7种主流工业以太网

同时还介绍了各种工业协议与工业网络相关的知识：

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今天我们来聊一聊工业以太网技术当中的环网~

环网技术

随着九十年代工业现场总线技术的快速兴起，通过通信连接大大的简化了机器设备的接线工作。早期阶段的工业设备通常组成线性拓扑，所有的状态、控制和诊断数据沿着一根电缆进行传送，网络的设计和连接相对比较简单。而随着技术不断发展，如今 PLC 控制器已经全面支持工业以太网，并且越来越多的工业网络设备的加入进来，网络变得愈发复杂。在工业现场，如果采用线性拓扑网络的某个节点发生了问题，随后的设备就会完全的断开，造成通信的中断。而针对工业技术对控制网络可靠性的高要求， 工业以太网的环网技术应运而生。





环网技术的优点如下：

· 可以快速检测网络错误并重新自动配置网络。

· 可以在小型和大型网络中实施使用。

· 清晰且结构简单的网络接线。

· 工厂可以在运行期间进行扩展工作。

· 标准化的协议确保了来自不同制造商设备的兼容性。

工业以太网为什么需要环网技术呢？或者说，以太网为什么不能直接连成环路呢?

这是因为以太网直接连接成环路，广播的数据包会在广播域中上大量的复制，这样会使网络中充斥着广播数据，大规模耗用链路带宽，使得正常数据不能得到有效传输，也会导致交换机的 MAC 地址表震荡, 造成交换机资源被占用，导致死机。这就是我们常说的"网络风暴"。



所以，以太网的环路拓扑，必须依靠环网协议来堵塞一个端口，所有的数据通过另外的端口收发，实际上仍然维持一个线性的状态，一旦转发数据的链路发生故障，就会打开堵塞的端口保证数据传输。



从环网发生故障，到备用端口打开，通讯恢复转发的时间我们一般称之为环网的重构时间。重构时间取决于网络规模和环网协议。



环网技术并不是西门子私有的技术，对于种类繁多的工业以太网设备，如何选择合适的环网协议呢？

其实我们只要了解工业网络的特点就可以得出结论，工业网络对于实时性、可靠性要求高，一旦发生了环网的故障，要求尽快的通过备用路径恢复通讯，这样才会对生产的影响降到最低。

因此，选择的环网协议和设备适不适合当前的应用，完全取决于环网重构时间能不能满足工艺的要求。我们看看哪些环网协议可以供我们选择。

No.

1

MRP （介质冗余）

专门针对PROFINET 网络的环网协议，是符合 IEC 61158-5-10 标准的一种适用于工业自动化行业应用的网络冗余协议。重构时间最大200ms，实际的重构时间取决于网络的规模，一般认为几十ms级别，因为重构时间比较快，因此非常适合工业网络的应用。



支持MRP 的设备也非常多，除了交换机外，很多支持PROFINET 的CPU 和设备也都支持MRP，因此组网的选择会很灵活。

最新固件下的SCALANCE XM400 交换机还可以支持MRP 的多环网。



No.

2

HRP（高速冗余环）

HRP 是西门子交换机的一种私有的环网协议，它的重构时间在最大网络规模下是300ms。HRP 主要是为了交换机的骨干网设计的环网协议，他最大的特点是可以结合环间热备（Standby）可以实现和多环网之间的链路冗余。



No.

3

STP/RSTP

STP(Spanning Tree Protocol，生成树算法，IEEE 802.1D)，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，但存在恢复速度慢的缺点。

这两类协议的特点，就是都是开放的环网协议，一般的环网设备都会支持，而且不同厂家产品的兼容性比较好，布置灵活 （想怎么插，怎么插），但是最大的问题就是重构太慢，不太适合工业环境，是典型的适合办公网络的环网协议。



No.

4

第三方私有环网协议

很多第三方的网络设备厂家都有私有的环网协议，是不是合适当前的工业应用环境，我们需要看看它的环网重构时间，比如假设第三方的重构时间100ms，我们的工业环境最大允许延迟如果是128ms（例如PROFINET 设备的看门狗时间），那重构的时间将不会导致通讯掉站，当然可以使用；但是如果我们的工业环境最大允许延迟如果是64 ms，很显然重构时就会导致掉站，就会影响生产，很显然不适合了。

No.

5

PRP（并行冗余协议）、

HSR (高可用性无缝环网协议)

基于IEC 62439-3 PRP 并行冗余协议，基于 IEC 62439-3 HSR 协议，两种协议都需要有专门的设备来组网。

和之前介绍的环网协议数据仅在一条链路传递不同，PRP会复制帧在两个独立的网络(LAN A, LAN B)进行传输，HSR 也会在两个方向复制数据，先到的帧被转发至应用，后到的帧被丢弃。

PRP 在中间设备不需要支持PRP，其上所连接的设备的帧也不会被RNA交换机复制转发。



HSR环上所有设备都需要支持 HSR 协议。



这两种协议，因为数据在两个方向都会复制，因此无网络重构时间，0ms切换。如果发生故障，因为不存在网络重构，数据可以保证无延迟的可靠传输，适合需要高可用性、无重构时间的冗余场合。

结语

总之，工程师在设计网络拓扑时，为了生产的稳定性，需要考虑为网络选择使用环形拓扑，设计一种支持容错的网络结构。环网技术可以利用网络节点间的冗余物理连接路径，处理网络任何一个分支的中断或丢失。这可以在机器可用性方面提供额外的安全保障，并且支持容错，以满足工厂核心设备运行和过程自动化甚至能源供应的稳定要求。

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