CN116170387A - 网络交换设备、网络交换系统以及机箱 - Google Patents

网络交换设备、网络交换系统以及机箱 Download PDF

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王楠
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Abstract

本发明公开了一种网络交换设备、网络交换系统以及机箱，该网络交换设备包括：第一数据接口、第二数据接口、网络交换单元以及MCU；第一数据接口用于从控制设备获取第一数据包，并发送至网络交换单元；网络交换单元用于选取目标I/O设备，并通过第二数据接口将第一数据包发送至目标I/O设备；MCU用于对网络交换单元实现VLAN的功能设置。本发明提供了网络交换设备，能够实现DCS中控制设备与I/O设备之间的TCP/IP网络通信，使控制设备与I/O设备之间可以通过标准或私有协议进行大数据交互，从而提高两者之间通信的速度和可靠性；通过MCU对网络交换单元进行设置，实现虚拟局域网功能，进而限制网络上的广播风暴，提高网络的安全性。

Description

网络交换设备、网络交换系统以及机箱
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种网络交换设备、网络交换系统以及机箱。
背景技术
DCS(Distributed Control System，分布式控制系统)是目前过程控制中经常采用的一种数字化仪控系统，其具有性价比高、可靠性好、操作简单，运行过程直观等优点，广泛的应用于核电、火电、水电以及化工领域。DCS最核心的部件是负责逻辑计算处理的控制设备以及负责采集就地仪表信号与控制输出的I/O设备，两者之间的数据通信关系到整个DCS的可靠性以及安全性。目前市面上DCS的控制设备与I/O设备之间大部分采用串口通信进行通信，少数DCS采用TCP/IP协议进行通信，并且采用TCP/IP协议进行通信的DCS中的控制设备都是通过商业交换机与各个I/O设备进行通信，实现成本高，而且结构分散，造成DCS内部的设备冗杂，无法应用于对设备要求较高的场所。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中DCS中的控制设备与I/O设备之间的通信存在困难的缺陷，提供一种网络交换设备、网络交换系统以及机箱。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供了一种网络交换设备，所述网络交换设备包括：网络交换模块，所述网络交换模块包括第一数据接口、第二数据接口、网络交换单元以及MCU；所述第一数据接口与外部控制设备通信连接；所述第二数据接口与外部I/O设备通信连接；所述网络交换单元与所述第一数据接口以及所述第二数据接口通信连接；
所述第一数据接口用于从所述外部控制设备获取第一数据包，并将所述第一数据包发送至所述网络交换单元；
所述网络交换单元用于根据所述第一数据包从所述外部I/O设备中选取目标I/O设备，并将所述第一数据包发送至所述第二数据接口；
所述第二数据接口用于将所述第一数据包发送至所述目标I/O设备；
所述MCU用于对所述网络交换单元实现虚拟局域网的功能设置。
优选地，
所述第二数据接口还用于从所述外部I/O设备获取第二数据包，并将所述第二数据包发送至所述网络交换单元；
所述网络交换单元还用于将所述第二数据包发送至所述第一数据接口；
所述第一数据接口还用于将所述第二数据包发送至所述外部控制设备。
优选地，所述网络交换模块还包括第三数据接口；所述第三数据接口与外部设备以及所述网络交换单元通信连接；
所述第三数据接口用于从所述网络交换单元接收所述第一数据包，并将所述第一数据包发送至所述外部设备。
优选地，所述网络交换设备还包括MAC以及PHY模块；所述MAC以及PHY模块与所述网络交换单元以及MCU通信连接；
所述网络交换单元还用于判断所述第一数据包中的MAC地址与所述MAC以及PHY模块的MAC地址是否相同，若是，则通过所述MAC以及PHY模块将所述第一数据包发送至所述MCU；
所述第一数据接口、第二数据接口、第三数据接口还用于向所述MCU发送通信状态信息；
所述MCU还用于根据所述通信状态信息生成第三数据包，并通过所述MAC以及PHY模块将所述第三数据包发送至所述网络交换单元；
所述网络交换单元还用于将所述第三数据包发送至所述外部控制设备。
优选地，所述网络交换设备还用于对故障以及告警事件打时间戳。
优选地，所述网络交换设备还包括连接模块；所述连接模块与所述外部控制设备、外部I/O设备、第一数据接口、第二数据接口以及第三数据接口通信连接；
所述连接模块用于从所述外部控制设备获取所述第一数据包，并将所述第一数据包发送至所述第一数据接口；
所述连接模块还用于从所述第二数据接口获取所述第一数据包，并将所述第一数据包发送至所述目标I/O设备；
所述连接模块还用于从所述第三数据接口获取所述第一数据包，并将所述第一数据包发送至所述外部设备。
优选地，所述网络交换设备还包括电源模块；所述电源模块与所述连接模块电连接；
所述电源模块用于向所述网络交换模块供电。
优选地，所述网络交换模块还包括第四数据接口；所述第四数据接口与所述连接模块以及MCU通信连接；
所述第四数据接口用于接收所述MCU发送的所述网络交换设备的基本信息，并将所述基本信息发送至所述连接模块，其中，所述基本信息包括启动过程信息、调试信息以及参数信息。
本发明还提供了一种网络交换系统，所述网络交换系统包括：I/O设备、控制设备和至少一个如前所述的网络交换设备；所述I/O设备与所述网络交换设备通信连接；所述网络交换设备与所述控制设备通信连接；
所述控制设备用于发送第一数据包至所述网络交换设备；
所述网络交换设备用于根据所述第一数据包从所述I/O设备中选取目标I/O设备，并将所述第一数据包发送至所述目标I/O设备；
所述I/O设备用于将第二数据包发送至所述网络交换设备；
所述网络交换设备还用于将所述第二数据包发送至所述控制设备。
本发明提供了一种机箱，所述机箱包括导轨槽、航空插头插板以及背板PCB板；
所述导轨槽用于安装如所的网络交换设备以及I/O设备；
所述航空插头插板与所述网络交换设备、控制设备通信连接；
所述背板PCB板与所述网络交换设备以及I/O设备通信连接；
所述航空插头插板用于从所述控制设备获取第一数据包，并将所述第一数据包发送至所述网络交换设备；
所述背板PCB板用于从所述网络交换设备获取所述第一数据包，并将所述第一数据包发送至目标I/O设备；
所述背板PCB板用于从所述目标I/O设备获取第二数据包，并将所述第二数据包发送至所述网络交换设备；
所述航空插头插板还用于从所述网络交换设备获取所述第二数据包，并将所述第二数据包发送至所述控制设备。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种网络交换设备，能够实现DCS中控制设备与I/O设备之间的TCP/IP网络通信，使控制设备以及I/O设备之间可以通过标准或私有的协议进行大数据交互，从而提高两者之间通信的速度和可靠性；通过MCU对网络交换单元进行设置，实现VLAN(Virtual Local Area Network，虚拟局域网)功能，进而限制网络上的广播风暴，提高了网络的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例1的网络交换设备的模块示意图。
图2为本发明实施例2的网络交换系统的模块示意图。
图3为本发明实施例3的机箱的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例提供了一种网络交换设备1，如图1所示，网络交换设备1包括网络交换模块11，网络交换模块包括第一数据接口111、第二数据接口112、网络交换单元113以及MCU114(Micro Controller Unit，DCS系统中的控制器)。第一数据接口111与外部控制设备通信连接。第二数据接口112与外部I/O(Input/Output)设备通信连接。网络交换单元113与第一数据接口111以及第二数据接口112通信连接。
第一数据接口111用于从外部控制设备获取第一数据包，并将第一数据包发送至网络交换单元113。
网络交换单元113用于根据第一数据包从外部I/O设备中选取目标I/O设备，并将第一数据包发送至第二数据接口112。
第二数据接口112用于将第一数据包发送至目标I/O设备。
MCU114用于对网络交换单元113实现VLAN的功能设置，进而限制网络上的广播风暴，提高了网络的安全性。具体地，在本实施例中，MCU114还可以实现对网络交换单元113进行初始化。网络交换单元113与MCU114之间可以通过数据接口通信连接，该数据接口可以采用SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)。
具体地，在本实施例中，第二数据接口112还用于从外部I/O设备获取第二数据包，并将第二数据包发送至网络交换单元113。
网络交换单元113还用于将第二数据包发送至第一数据接口111。
第一数据接口111还用于将第二数据包发送至外部控制设备。
具体地，在本实施例中，第一数据接口111和第三数据接口115的数量为多个，每两个第一数据接口111之间配置冗余组，每两个第三数据接口115之间配置冗余组。每个冗余组中的第一数据接口111型号相同，传输相同的第一数据包，一个冗余组中，只要有一个第一数据接口111可以正常工作，就不会影响网络交换设备1从外部控制设备获取第一数据包，或将第二数据包发送至外部控制设备。每个冗余组中的第三数据接口115型号相同，传输相同的第一数据包，一个冗余组中，只要有一个第三数据接口115可以正常工作，就不会影响网络交换设备1将第一数据包发送至外部设备。
具体地，在本实施例中，第二数据接口112的数量为14个，每个第二数据接口112分别与一个外部I/O设备通信连接。网络交换单元113在将第一数据包发送至与目标I/O设备对应的第二数据接口112后，将第一数据包中的MAC地址与第二数据接口112的对应关系记录在内部的地址表中。每个第二数据接口112配备了一个LED指示灯，用来显示该第二数据接口112的网络连接状态，方便维护人员快速发现故障并进行维护。
如图1所示，具体地，在本实施例中，网络交换模块11还包括第三数据接口115。第三数据接口115与外部设备以及网络交换单元113通信连接。
第三数据接口115用于从网络交换单元113接收第一数据包，并将第一数据包发送至外部设备。具体地，在本实施例中，该外部设备可以是其他的网络交换设备，用于支持网络交换设备的扩展使用。
如图1所示，具体地，在本实施例中，网络交换设备1还包括MAC(MediaAccessControl，介质访问控制)以及PHY(Physical，端口物理层)模块12。MAC以及PHY模块12与网络交换单元113以及MCU114通信连接。具体地，在本实施例中，MAC以及PHY模块12与MCU114之间可以通过并行接口通信连接。
网络交换单元113还用于判断第一数据包中的MAC地址与MAC以及PHY模块12的MAC地址是否相同，若是，则通过MAC以及PHY模块12将第一数据包发送至MCU114。
第一数据接口111、第二数据接口112、第三数据接口115还用于向MCU114发送通信状态信息。
MCU114还用于根据通信状态信息生成第三数据包，并通过MAC以及PHY模块12将第三数据包发送至网络交换单元113。
网络交换单元113还用于将第三数据包发送至外部控制设备。该网络交换设备1可以实现自诊断功能，实时监控各数据接口的连接状况，对于网络连接不佳、板载温度过高等故障进行记录并上传给外部控制设备进行处理。
具体地，在本实施例中，网络交换设备1还用于对故障以及告警事件打时间戳。网络交换设备1与外部控制设备之间可以采用PTP(Precision Time Protocol，IEEE 1588对时协议)对时，极大了提高了事故后事件分析和诊断修复的效率。
如图1所示，具体地，在本实施例中，网络交换设备1还包括连接模块13。连接模块13与外部控制设备、外部I/O设备、第一数据接口111、第二数据接口112以及第三数据接口115通信连接。
连接模块13用于从外部控制设备获取第一数据包，并将第一数据包发送至第一数据接口111。
连接模块13还用于从第二数据接口112获取第一数据包，并将第一数据包发送至目标I/O设备。
连接模块13还用于从第三数据接口115获取第一数据包，并将第一数据包发送至外部设备。
如图1所示，具体地，在本实施例中，网络交换设备1还包括电源模块14；电源模块14与连接模块13电连接。
电源模块14用于向网络交换模块11供电。
如图1所示，具体地，在本实施例中，网络交换模块11还包括第四数据接口116。第四数据接口116与连接模块13以及MCU114通信连接。
第四数据接口116用于接收MCU114发送的网络交换设备1的基本信息，并将基本信息发送至连接模块13，其中，基本信息包括启动过程信息、调试信息以及参数信息。具体地，在本实施例中，第四数据接口116可以采用RS485。
本实施例提供了一种网络交换设备，能够实现DCS中控制设备与I/O设备之间的TCP/IP网络通信，使控制设备以及I/O设备之间可以通过标准或私有的协议进行大数据交互，从而提高两者之间通信的速度和可靠性；通过MCU对网络交换单元进行设置，实现VLAN(Virtual Local Area Network，虚拟局域网)功能，进而限制网络上的广播风暴，提高了网络的安全性。
实施例2
本实施例提供了一种网络交换系统，如图2所示，网络交换系统包括实施例1中的网络交换设备1、控制设备2、I/O设备3。I/O设备3与网络交换设备1通信连接。网络交换设备与控制设备2通信连接。
控制设备2用于发送第一数据包至网络交换设备1。
网络交换设备1用于根据第一数据包从I/O设备3中选取目标I/O设备，并将第一数据包发送至目标I/O设备。
I/O设备3用于将第二数据包发送至网络交换设备1。
网络交换设备1还用于将第二数据包发送至控制设备2。
本实施例提供了一种网络交换系统，该系统通过网络交换设备从控制设备获取第一数据包，并通过网络交换设备从I/O设备中选出目标I/O设备，再将第一数据包发送至目标I/O设备，实现了DCS中控制设备与I/O设备之间的TCP/IP网络通信，使控制设备与I/O设备之间可以通过标准或私有协议进行大数据交互，从而提高两者之间通信的速度和可靠性；通过MCU对网络交换单元进行设置，实现虚拟局域网功能，进而限制网络上的广播风暴，提高网络的安全性
实施例3
本实施例提供了一种机箱，机箱包括导轨槽8、航空插头插板以及背板PCB板。
导轨槽用于安装如实施例1中的网络交换设备以及I/O设备。
航空插头插板与网络交换设备、控制设备通信连接。
背板PCB板与网络交换设备以及I/O设备通信连接。
航空插头插板用于从控制设备获取第一数据包，并将第一数据包发送至网络交换设备。
背板PCB板用于从网络交换设备获取第一数据包，并将第一数据包发送至目标I/O设备。
背板PCB板用于从目标I/O设备获取第二数据包，并将第二数据包发送至网络交换设备。
航空插头插板还用于从网络交换设备获取第二数据包，并将第二数据包发送至控制设备。
如图3所示，具体地，在本实施例中，该机箱还包括：底板1、盖板2、侧板3、前面板4、后面板5、固定耳6、连接器面板7、导轨槽8、导冷上助拨块9、支架10、背板固定支架11、左侧板12以及定位销13。
底板1下设置有16个导轨槽8，用于安装网络交换设备以及I/O设备。背板PCB板背板设置于固定支架11前，航空插头插板设置于连接器面板7下方。网络交换设备以及I/O设备通过导轨槽8进行插入，通过自身的插针与底板1的针槽连接。背板PCB板对外提供了5路航空插头，对应后面板5上设置的5个开孔，分别是对内的2路冗余24VDC供电，对外的2路冗余24VDC供电，以及1路卡件串口调试接口，其中，对外供电接口可用于扩展机箱时供电用。连接器面板7上方有48个航空插头，分别提供网络交换设备的数据接口和各个I/O设备的数据接口。I/O设备与网络交换设备的数据交换以及电源供电均通过背板PCB板来实现。网络交换设备以及I/O设备的外壳均有导热面板，工作过程中产生的热量可以通过机箱的箱体传导给盖板2的导热面板进行散热。机箱对外的连接器全部选用航空插头，航空插头插拔可靠，在极端环境下具有良好的气密性和阻燃特性。该机箱的前面板4可以拆除，做成半封闭式的机箱在DCS机柜中使用，也可以独立在DCS机柜外使用。
本实施例提供了一种机箱，该机箱可以实现控制设备与14块IO卡件同时进行冗余的网络通信，并提供网络减缓设备所需的电源、散热环境。

Claims (10)

1.一种网络交换设备，其特征在于，所述网络交换设备包括：网络交换模块，所述网络交换模块包括第一数据接口、第二数据接口网络交换单元以及MCU；所述第一数据接口与外部控制设备通信连接；所述第二数据接口与外部I/O设备通信连接；所述网络交换单元与所述第一数据接口以及所述第二数据接口通信连接；
所述第一数据接口用于从所述外部控制设备获取第一数据包，并将所述第一数据包发送至所述网络交换单元；
所述网络交换单元用于根据所述第一数据包从所述外部I/O设备中选取目标I/O设备，并将所述第一数据包发送至所述第二数据接口；
所述第二数据接口用于将所述第一数据包发送至所述目标I/O设备；
所述MCU用于对所述网络交换单元实现虚拟局域网的功能设置。
2.如权利要求1所述的网络交换设备，其特征在于，
所述第二数据接口还用于从所述外部I/O设备获取第二数据包，并将所述第二数据包发送至所述网络交换单元；
所述网络交换单元还用于将所述第二数据包发送至所述第一数据接口；
所述第一数据接口还用于将所述第二数据包发送至所述外部控制设备。
3.如权利要求1所述的网络交换设备，其特征在于，所述网络交换模块还包括第三数据接口；所述第三数据接口与外部设备以及所述网络交换单元通信连接；
所述第三数据接口用于从所述网络交换单元接收所述第一数据包，并将所述第一数据包发送至所述外部设备。
4.如权利要求3所述的网络交换设备，其特征在于，所述网络交换设备还包括MAC以及PHY模块；所述MAC以及PHY模块与所述网络交换单元以及MCU通信连接；
所述网络交换单元还用于判断所述第一数据包中的MAC地址与所述MAC以及PHY模块的MAC地址是否相同，若是，则通过所述MAC以及PHY模块将所述第一数据包发送至所述MCU；
所述第一数据接口、第二数据接口、第三数据接口还用于向所述MCU发送通信状态信息；
所述MCU还用于根据所述通信状态信息生成第三数据包，并通过所述MAC以及PHY模块将所述第三数据包发送至所述网络交换单元；
所述网络交换单元还用于将所述第三数据包发送至所述外部控制设备。
5.如权利要求1所述的网络交换设备，其特征在于，所述网络交换设备还用于对故障以及告警事件打时间戳。
6.如权利要求3所述的网络交换设备，其特征在于，所述网络交换设备还包括连接模块；所述连接模块与所述外部控制设备、外部I/O设备、第一数据接口、第二数据接口以及第三数据接口通信连接；
所述连接模块用于从所述外部控制设备获取所述第一数据包，并将所述第一数据包发送至所述第一数据接口；
所述连接模块还用于从所述第二数据接口获取所述第一数据包，并将所述第一数据包发送至所述目标I/O设备；
所述连接模块还用于从所述第三数据接口获取所述第一数据包，并将所述第一数据包发送至所述外部设备。
7.如权利要求6所述的网络交换设备，其特征在于，所述网络交换设备还包括电源模块；所述电源模块与所述连接模块电连接；
所述电源模块用于向所述网络交换模块供电。
8.如权利要求6所述的网络交换设备，其特征在于，所述网络交换模块还包括第四数据接口；所述第四数据接口与所述连接模块以及MCU通信连接；
所述第四数据接口用于接收所述MCU发送的所述网络交换设备的基本信息，并将所述基本信息发送至所述连接模块，其中，所述基本信息包括启动过程信息、调试信息以及参数信息。
9.一种网络交换系统，其特征在于，所述网络交换系统包括：I/O设备、控制设备和至少一个如权利要求1-8中任意一项所述的网络交换设备；所述I/O设备与所述网络交换设备通信连接；所述网络交换设备与所述控制设备通信连接；
所述控制设备用于发送第一数据包至所述网络交换设备；
所述网络交换设备用于根据所述第一数据包从所述I/O设备中选取目标I/O设备，并将所述第一数据包发送至所述目标I/O设备；
所述I/O设备用于将第二数据包发送至所述网络交换设备；
所述网络交换设备还用于将所述第二数据包发送至所述控制设备。
10.一种机箱，其特征在于，所述机箱包括导轨槽、航空插头插板以及背板PCB板；所述导轨槽用于安装如权利要求1-8中任一项所述的网络交换设备以及I/O设备；
所述航空插头插板与所述网络交换设备、控制设备通信连接；
所述背板PCB板与所述网络交换设备以及I/O设备通信连接；
所述航空插头插板用于从所述控制设备获取第一数据包，并将所述第一数据包发送至所述网络交换设备；
所述背板PCB板用于从所述网络交换设备获取所述第一数据包，并将所述第一数据包发送至目标I/O设备；
所述背板PCB板用于从所述目标I/O设备获取第二数据包，并将所述第二数据包发送至所述网络交换设备；
所述航空插头插板还用于从所述网络交换设备获取所述第二数据包，并将所述第二数据包发送至所述控制设备。
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