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概述

概述

工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡性能和網(wǎng)絡技術

組合使用時，與原來的 10 Mbpps 技術相比，當前工業(yè)以太網(wǎng)技術可顯著提高網(wǎng)絡性能。 這些技術包括：

• 快速以太網(wǎng)，傳輸速率 100 Mbps：
  與 10 Mbps 相比，報文傳輸速度要快很多，因此占用電纜的時間極短。 針對快速以太網(wǎng) (Fast Ethernet)，提供了一個 4 線制 FastConnect 布線系統(tǒng) (Cat5e)，包括電纜、插頭和插座。
• 千兆以太網(wǎng)，傳輸速率 1 Gbps：
  千兆以太網(wǎng)比快速以太網(wǎng)快 10 倍，電纜占用時間僅為其十分之一。 針對千兆以太網(wǎng)，提供了一個 8 線制 FastConnect 布線系統(tǒng) (Cat6)，包括電纜、插頭和插座。
• 千兆以太網(wǎng)，傳輸速率 10 Gbps：
  與 1 Gbps 以太網(wǎng)相比，10 Gbps 以太網(wǎng)的速度是其 10 倍。
• 全雙工可防止沖突：
  在兩個交換機之間可同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 因此，全雙工連接的數(shù)據(jù)吞吐量對于快速以太網(wǎng)為 200 Mbps，對于千兆以太網(wǎng)為 2 Gbps。 采用全雙工傳輸時，網(wǎng)絡可覆蓋更大距離。 這意味著，例如，采用玻璃光纖電纜可以實現(xiàn) 200 km 的遠距離。
  常見幀重復問題的避免顯著地提高了數(shù)據(jù)吞吐量。
• 交換可降低網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量：
  交換機動態(tài)地“連接”當前正在通信的那些站。 因此，在整個網(wǎng)絡中，幾條報文可同時傳送， 大大提高了網(wǎng)絡的功能。 性能上的提升源于這樣一個事實，即，多個消息幀可以同時流經(jīng)交換機（它們之間如同并行地傳輸）。
• 使用自動交叉功能，支持發(fā)送線和接收線在雙絞線接口自動交叉。
• 自動檢測描述的是網(wǎng)絡節(jié)點（數(shù)據(jù)終端和網(wǎng)絡部件）的特性，即自動檢測信號的傳輸速率（10 Mbps、100 Mbps 或 1 Gbps），并支持自動協(xié)商功能。
• 自動協(xié)商是快速以太網(wǎng)的配置協(xié)議。 在啟動實際數(shù)據(jù)傳輸前，網(wǎng)絡設備自動協(xié)商設備支持的一種傳輸模式（1000 Mbps、100 Mbps 或 10 Mbps，全雙工或半雙工）。

以太網(wǎng)交換技術

工業(yè)以太網(wǎng)具有以下功能：

• 根據(jù)可用接口數(shù)量，交換機用來臨時或動態(tài)地將幾個子網(wǎng)或站彼此連接。
• 根據(jù)終端的以太網(wǎng)（MAC）地址，過濾數(shù)據(jù)傳輸，局部數(shù)據(jù)傳輸依舊保持局部，并且交換機只傳送到其它子網(wǎng)絡用戶的數(shù)據(jù)。
• 與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡相比擴大了可連接的終端數(shù)。
• 限制受影響子網(wǎng)絡的錯誤傳輸。

交換技術具有以下優(yōu)點：

• 提供了形成子網(wǎng)絡和網(wǎng)絡段的能力。
• 由于數(shù)據(jù)通信的結構化，提高了數(shù)據(jù)吞吐量，從而提高了整體網(wǎng)絡性能。
• 簡單的網(wǎng)絡配規(guī)則。
• 通過連接各個沖突域/子網(wǎng)絡，可不受限制地擴展網(wǎng)絡范圍。
• 實現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡的簡單、無障礙的擴展。

全雙工

全雙工（FDX）是一種網(wǎng)絡運行方式，與半雙工相比，在全雙工時，終端可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 采用 FDX 時，終端內(nèi)的沖突檢測功能是自動關閉的。

FDX的一個先決條件是使用有獨立發(fā)送和接收通道的傳輸介質(zhì)（如 FO 和 ITP），并且所使用的部件有保存數(shù)據(jù)的能力。 FDX 連接中不會出現(xiàn)沖突，因而支持 FDX 的部件能以正常的傳輸率同時發(fā)送和接收。 因此，數(shù)據(jù)吞吐量是網(wǎng)絡額定傳輸速率的兩倍，也就是，對于常規(guī)以太網(wǎng)為 20 Mbps，對于快速以太網(wǎng)為 200 Mbps。 千兆以太網(wǎng)可達到 2000 Mbps。

FDX 的其它優(yōu)點是網(wǎng)絡規(guī)模提高。

通過關閉激活沖突機制，F(xiàn)DX 能使二個部件間的距離增大到超過一個沖突域的范圍。 使用全雙工功能，有可能使所用的發(fā)送和接收部件的傳送距離達到其性能極限。 這對與光纖部件的連接尤為重要。 在使用玻璃光纜時，兩個交換機之間可達到長 200 km 的距離。

通過交換式全雙工增加性能

自動檢測/自動協(xié)商

自動檢測描述的是網(wǎng)絡節(jié)點（數(shù)據(jù)終端和網(wǎng)絡部件）的特性，即自動檢測信號的傳輸速率（10 Mbps、100 Mbps 或 1000 Mbps），并支持自動協(xié)商功能。

自動協(xié)商是雙絞線的配置協(xié)議。 它使節(jié)點在發(fā)送個數(shù)據(jù)包之前為傳輸而協(xié)商傳輸率：

• 10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps 或 10 Gbps
• 全雙工或半雙工

為了保證一個特定的傳輸速率，也可以關閉自動協(xié)商。

自動檢測的優(yōu)點是，所有以太網(wǎng)部件實現(xiàn)互操作性。
不支持自動檢測的常規(guī)以太網(wǎng)組件可與支持自動檢測的快速以太網(wǎng)組件和新的千兆以太網(wǎng)組件組合使用。

自動交叉

自動交叉功能可在雙絞線接口上自動交叉發(fā)送線和接收線。 這意味著不再需要交叉連接線（例如 TP XP 線）。

高速冗余協(xié)議 (HRP)

出錯誤后的快速網(wǎng)絡重構是工業(yè)應用*的特性。 否則，連接的終端會關閉邏輯通訊鏈路。 導致控制過程停止或系統(tǒng)的緊急停機。

為了取得極快速的響應時間，使用了各種標準化協(xié)議。 用這種過程，可在幾分之一秒時間內(nèi)重構一個可用網(wǎng)絡。

由 50 個交換機組成的光纖環(huán)中，網(wǎng)絡故障后（如斷線或交換機故障）能夠在不到 300 ms 內(nèi)完成重構。

除了在光纖環(huán)中實現(xiàn)高速介質(zhì)冗余外，工業(yè)以太網(wǎng)還提供有環(huán)網(wǎng)或網(wǎng)段的高速冗余耦合所需的功能。 在每種情況下，可通過兩個交換機來耦合任何拓撲中的環(huán)網(wǎng)或網(wǎng)段。

具有高速冗余性的光纖網(wǎng)絡拓撲結構

具有高速冗余性的電網(wǎng)絡拓撲結構

介質(zhì)冗余協(xié)議 (MRP)

另一種可以獲得更高系統(tǒng)可用性的選項功能是 PROFINET MRP。 一方面，可通過交換機來實現(xiàn)介質(zhì)冗余；另一方面，可通過 SIMATIC 控制器上的 PROFINET 接口和分布式 I/O 來實現(xiàn)介質(zhì)冗余。 由于采用 MRP 協(xié)議 (IEC 61158 Type 10)，可實現(xiàn)小于 200 ms 的重構時間，具體取決于站數(shù)。

如果環(huán)網(wǎng)在某個點處中斷，則可立即進行重構，所有通信節(jié)點仍可訪問。

SCALANCE X101-1/X101-1LD 電氣/光學環(huán)網(wǎng)拓撲結構

光學星形拓撲結構，帶SCALANCE X101-1/X101-1LD和遠程SCALANCE W接入點

無縫冗余

對于在重組態(tài)時間方面要求*的某些應用，冗余網(wǎng)絡的構建可能不需要任何重組態(tài)時間（無縫冗余）。

為此，PROFINET 提出了 MRPD（計劃重復介質(zhì)冗余）標準。 該技術基于拓撲優(yōu)化的 IRT 通信。

IEC 62439-3 標準有兩種可以使用的其它解決方案，即高可用性無縫冗余（HSR）和并行冗余協(xié)議（PRP）。

全部這些方法有利于網(wǎng)絡運行不因故障（例如， 線斷）而被中斷。 其實現(xiàn)方法是，在發(fā)送方重復數(shù)據(jù)包，并通過不同通路將它們發(fā)送給接收方。

支持 PRP 冗余過程、無碰撞的平行網(wǎng)絡

支持 HSR 冗余過程的無碰撞環(huán)網(wǎng)

生成樹算法的冗余

生成樹算法在 IEEE 802.1D 標準中描述；該算法的目的是組織任何數(shù)量的由網(wǎng)橋和交換機組成的交錯以太網(wǎng)結構。

為了防止數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中循環(huán)，可將封閉的網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的各連接切換為備用，以便從網(wǎng)狀結構獲得開放式的樹形結構。

為此，交換機彼此之間采用生成樹協(xié)議進行通信。 由于這種協(xié)議必須適應任何網(wǎng)絡結構，因此十分復雜。

用生成樹協(xié)議組織網(wǎng)絡結構約需 30～60 秒時間。 在這段時間內(nèi)，在網(wǎng)絡內(nèi)不可能有用于可靠可視化或過程控制的有效通訊。

在符合標準 IEEE 802.1 的時間優(yōu)化型“快速重構生成樹”中，可串聯(lián)多達 10 個交換機，時間將縮短為 1 至 3 秒。

這種協(xié)議，由于重配置時間相對較長，因此，主要用在辦公網(wǎng)絡中。 在連接到辦公網(wǎng)絡時，有些 SIMATIC NET 交換機也支持快速生成樹協(xié)議。

交換網(wǎng)絡

可通過電氣或光纖方式組態(tài)交換式工業(yè)網(wǎng)絡，網(wǎng)絡可為總線形、星形或環(huán)形結構或它們的組合。

它們是使用 SCALANCE X 交換機以及集成在終端設備中的交換機（例如，集成在通信處理器中的交換機）構建的。

電纜（如雙絞線電纜）或光纜用作交換機間的傳輸介質(zhì)，并用于連接至終端設備電纜（例如，雙絞線電纜）。

交換機網(wǎng)絡的大小是任意的. 對于更大型的網(wǎng)絡，還要考慮信號延遲（取決于應用）。

可以使用 POF/PCF 或玻璃光線光纜進行布線

在易受強電磁場干擾 (EMI)的環(huán)境下，如果不能保證可靠的等電位搭接或系統(tǒng)暴露在空氣中，建議使用光纖電纜。

玻璃光纖光纜用于長距離數(shù)據(jù)傳輸，而對于短距離傳輸，則使用由導光塑料制成的塑料光纖電纜（如聚合物光纖 (POF)）或使用塑料包覆光纖（如聚合物包層光纖 (PCF)）。

使用用于聚酯光纖和 PCF 的 SC RJ 連接系統(tǒng)，可實現(xiàn)簡單的設備級光纖布線。 在現(xiàn)場可以快速、方便地組裝 SC RJ 連接器。 為此設計的塑料光纖電纜可以通用或于吊纜系統(tǒng)。

對于光纖布線（例如，對于 PROFINET 系統(tǒng)），可使用帶 POF 或 PCF 接頭的產(chǎn)品，如 SCALANCE X200-4P IRT 工業(yè)以太網(wǎng)交換機或 ET 200S 分布式 I/O 設備。

采用 SCALANCE X202-2P IRT 和 SCALANCE X101-1POF 介質(zhì)轉換器的混合網(wǎng)絡

高可用性通信

冗余連接提高了通信可用性，發(fā)生故障時，可將數(shù)據(jù)傳輸快速切換到冗余通信連接。

可從 S7-400H 站建立到以下站的高可用性 S7 連接：

• 其它 H 站（單通道或雙通道）
• PC（需要 S7-REDCONNECT 軟件）

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通過冗余通訊接口可增強可用性

控制層上的千兆以太網(wǎng)

在現(xiàn)場層，數(shù)據(jù)報文幀的響應時間較短；而控制層上對高數(shù)據(jù)吞吐量的需求在不斷增加。 其原因在于快速增長的結點數(shù)量和海量數(shù)據(jù)系統(tǒng)，如 HMI，SCADA，條碼讀取系統(tǒng)，web 應用程序或多媒體應用程序。

除了具有千兆能力的網(wǎng)絡基礎架構外，還有具有千兆能力的系統(tǒng)連接，用于連接 PC 或 SIMATIC S7-300/400/1500。用于 PCI Express 的 CP 1623 通訊處理器支持 HMI/SCADA 系統(tǒng)的高性能連接，同時通過一個可選的外部電源提高網(wǎng)絡可靠性。

用于 SIMATIC S7-300/400 的 CP 343-1 Advanced 和 CP 443-1 Advanced 通信處理器可實現(xiàn)控制層和現(xiàn)場層之間的集成網(wǎng)絡分隔，并能提供：

• 模塊上的單獨網(wǎng)絡接口用于連接兩個獨立 IP 子網(wǎng)，例如，控制層為 IP 子網(wǎng) 1（千兆以太網(wǎng)），而現(xiàn)場層為 IP 子網(wǎng) 2（快速以太網(wǎng)）。
• 通過 IP 路由實現(xiàn) IT 服務的交叉網(wǎng)絡利用，如訪問 Web 服務器
• 下位現(xiàn)場設備與 PROFINET 連接的短響應時間
• 防火墻，用于防止 PLC 被未*訪問，與要保護的網(wǎng)絡規(guī)模無關。
• 通過補充或替代 VPN（Virtual Private Network，虛擬網(wǎng)）對通信伙伴進行可靠身份驗證并對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密

現(xiàn)場層和企業(yè)層之間的網(wǎng)絡分離，包括控制層上千兆通信

現(xiàn)場級和企業(yè)級之間的網(wǎng)絡分離

經(jīng)常必須將各個網(wǎng)絡實現(xiàn)物理相互分離，但相互之間必須能進行通訊。 網(wǎng)絡分離的原因包括：需進行審慎的負荷分離，或企業(yè)內(nèi)部具有各種不同職責（如辦公和生產(chǎn)網(wǎng)絡）。

在將 CP 343-1 Advanced 和 CP 443-1 Advanced 通信處理器用于 S7 控制器時，很容易滿足這一要求。 通過在一個模塊上提供用于千兆以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)中各種單獨 IP 子網(wǎng)的接口，就可通過靜態(tài) IP 路由來 防火墻，用于防止 PLC 被未*訪問，與要保護的網(wǎng)絡規(guī)模無關。 作為一個替代或補充方案，可通過 VPN（Virtual Private Network，虛擬網(wǎng)）來對通信伙伴進行安全身份驗證并對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密。

采用千兆以太網(wǎng)的 SIMATIC PCS 7 過程控制系統(tǒng)

在控制室中，將在終端總線上使用兩臺 SCALANCE X-400 交換機。如果與工廠總線連接的節(jié)點較多，就可將 XR-500 或 XM-400 交換機結合端口擴展器使用。 它們可相互連接在一起，用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)傳輸速率為 1 Gbps 的電氣環(huán)網(wǎng)。

提供有幾個操作員面板，并在兩個交換機之間分配，以便在一臺交換機故障時系統(tǒng)仍能運行。 例如，終端總線和工廠總線使用冗余服務器進行連接，使用 SCALANCE X408-2 時，也可通過高性能千兆線路進行連接。

在過程控制系統(tǒng)（例如 PCS 7）中使用 SCALANCE X 交換機

工廠網(wǎng)絡可通過 SCALANCE X-500 連接到管理層或公司網(wǎng)絡

使用 PROFIsafe，實現(xiàn)故障安全無線通訊

多年以來，安全技術已集成到基于 SIMATIC S7 控制器、PROFIBUS 和 PROFIsafe 的標準自動化系統(tǒng)中。

這一范圍已由具有 PROFINET 功能的部件加以擴展，從而提供了包含故障安裝控制器、故障安全 I/O 以及相應組態(tài)環(huán)境的一個完整產(chǎn)品系列。

通過對 PROFIsafe 數(shù)據(jù)進行連續(xù)編號、進行時間監(jiān)控以及使用密碼或優(yōu)化的循環(huán)冗余校驗 (CRC) 進行真實性監(jiān)視 PROFIsafe 可防止錯誤，如地址損壞、丟失、延遲等。

使用 PROFIsafe，實現(xiàn)故障安全無線通訊

網(wǎng)絡耦聯(lián)

要進行高性能的網(wǎng)絡耦合，可使用模塊化工業(yè)以太網(wǎng)交換機 SCALANCE XM-400。 使用 SCALANCE XM-400，可通過高速 IP 路由實現(xiàn)不同 IP 子網(wǎng)和路由器之間的通信。 支持該技術的方法包括：

• 靜態(tài)路由
• 動態(tài)路由 OSPF（開放式短路徑優(yōu)先）和
• RIPv1/2（路由信息協(xié)議）
• 冗余路由 VRRP（虛擬路由器冗余協(xié)議）

高性能第三層交換與冗余路由 (VRRP) 相結合