带你看工业以太网交换机发展历程，EtherCAT工业以太网技术原理详解

工业以太网很早便出现在人们视野当中，目前，工业以太网的应用也较为成熟。本文中，小编将基于两方面介绍工业以太网相关知识：1. EtherCAT工业以太网技术原理详解，2.工业以太网交换机历程阐述。

一、EtherCAT技术原理

EtherCAT是一种实时以太网现场总线系统，该协议可以用于过程数据的优化传输。EtherCAT协议可以包括几个EtherCAT报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该区域最大可达4GB字节。要发送和接收的数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可以任意编址。

作为一种实时以太网协议，EtherCAT从站的OSI模型可以用图1简单描述。在图1中，ISO国际标准组织所定义的开放系统互连七层OSI模型被压缩成了具有物理层、数据链路层和应用层的3层模型。物理层为网络信号的传输提供了物理链路。数据链路层的主要任务是在特定的“时间窗”内从以太网帧中提取数据并把要输出的数据插入到以太网帧内，同时对数据进行检查校验。如果动作在特定的时间窗内不能完成，就会认为动作失败。应用层的作用是处理数据链路层的请求，并作出适当的反应。

EtherCAT协议本身决定了它无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。它具有主从数据交换原理，需要主站和从站配合完成工作，因而，EtherCAT非常适合主从控制器之间的通讯。EtherCAT主站传递的以太网帧包含了所有的I/O从站数据，报文在I/O从站间传递，每个从站用极短的时间获取数据并将要发出的数据写入到以太网帧的相应位置，然后将报文传递给下一个从站。最后一个从站处理结束后，将报文传递回EtherCAT主站。

EtherCAT协议结构如图2所示。图2表明，由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据，EtherCAT充分利用了IO层的带宽，采用EtherCAT协议进行数据传输，可用的数据传输速率可达90%以上，100 Mbit/s的全双工特性完全得以利用。有资料表明其处理1000个数字量I/O只需30微秒，处理200个l6位模拟量信号只需50微秒，即取样频率达到20kHz。这种实时以太网协议非常适合要求实现快速控制的应用场合，可以做到真正把以太网应用于传感器/执行器级。EtherCAT协议本身决定了它几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等，并且不受限于级联交换机或集线器的数量。

在故障诊断方面，EtherCAT通过CRC校验，可以有效地检测出数据传送期间的位故障，EtherCAT通过匹配性检查可以进行断线检测和故障定位。另外，EtherCAT系统的协议还可以对各个传输段分别进行品质监视，与错误计数器关联的自动评估还可以对关键的网络段进行精确定位。

二、工业以太网交换机改革历程

工业以太网交换机在工业级设计一般在设计上满足：工业宽温设计，4级电磁兼容设计，冗余交直流电源输入，另外PCB板一般做“三防”处理。工业现场的环境比普通环境都要恶劣，至少在震动，湿气，温度上都要比普通环境恶劣，普通交换机在设计上没有抵御在工业环境中出现的各种情况的能力，普通交换机不能长时间工作在这种恶劣环境下，经常容易出现故障，更使维护成本上升，一般不建议在工业环境中使用商业交换机，为了能使交换机在这种恶劣环境中使用，故生产出能适应这种环境的交换机，工业级别的交换机的可靠性有电源故障，端口中断，可由继电器输出报警，冗余双直流电源输入，主动式电路保护，过压、欠压自动断路保护。

目前。国内工业以太网交换机市场中，电力、轨道交通、风力发电、煤矿是工业交换机的重点应用领域，占到市场的70%。中国工业以太网交换机市场活跃着大约50家厂商。中国工业以太网交换机市场的外资厂商在15家左右，台资厂商3-4家，本土厂商30家左右。本土厂商中以地方品牌居多。在工业以太网交换机的销售中有近70%的工业以太网交换机是通过分销的方式进入到市场的。通常外资企业采用分销的方式销售产品，内资企业采用直销的方式。

国内工业以太网的制约因素很大程度上还是因为没有一个统一的通用标准，产品参差不齐，价格差异大，用户选择困难。同时，工业以太网技术与现场总线技术长期并存。这限制了工业以太网交换机向更广阔的应用领域发展。正维通信近几年通过研发人员的努力实现了以太网与总线技术的合并，WISE3000B系列产品很好的做到了两者的融合。

中国未来工业以太网交换机将伴随着工业自动化进程的不断推进和工业以太网技术应用的不断推广，迎来更大的发展。从技术角度，实时通讯、稳定性、安全性等是工业以太网交换机产品的着眼点。随着无线网络、蓝牙等网络技术的发展，工业以太网交换机将继续前行。从产品角度，多功能化是工业以太网交换机发展的方向。网管型工业以太网交换机比非网管型功能更强大。

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