西門子315CPU模塊

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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概述

概述

工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

組合使用時(shí)，與原來的 10 Mbpps 技術(shù)相比，當(dāng)前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)可顯著提高網(wǎng)絡(luò)性能。 這些技術(shù)包括：

• 快速以太網(wǎng)，傳輸速率 100 Mbps：
  與 10 Mbps 相比，報(bào)文傳輸速度要快很多，因此占用電纜的時(shí)間極短。 針對(duì)快速以太網(wǎng) (Fast Ethernet)，提供了一個(gè) 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(shí)間僅為其十分之一。 針對(duì)千兆以太網(wǎng)，提供了一個(gè) 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(gè)交換機(jī)之間可同時(shí)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(duì)于快速以太網(wǎng)為 200 Mbps，對(duì)于千兆以太網(wǎng)為 2 Gbps。 采用全雙工傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可覆蓋更大距離。 這意味著，例如，采用玻璃光纖電纜可以實(shí)現(xiàn) 200 km 的遠(yuǎn)距離。
  常見幀重復(fù)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(luò)數(shù)據(jù)流量：
  交換機(jī)動(dòng)態(tài)地“連接”當(dāng)前正在通信的那些站。 因此，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，幾條報(bào)文可同時(shí)傳送， 大大提高了網(wǎng)絡(luò)的功能。 性能上的提升源于這樣一個(gè)事實(shí)，即，多個(gè)消息幀可以同時(shí)流經(jīng)交換機(jī)（它們之間如同并行地傳輸）。
• 使用自動(dòng)交叉功能，支持發(fā)送線和接收線在雙絞線接口自動(dòng)交叉。
• 自動(dòng)檢測(cè)描述的是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)終端和網(wǎng)絡(luò)部件）的特性，即自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)的傳輸速率（10 Mbps、100 Mbps 或 1 Gbps），并支持自動(dòng)協(xié)商功能。
• 自動(dòng)協(xié)商是快速以太網(wǎng)的配置協(xié)議。 在啟動(dòng)實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸前，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自動(dòng)協(xié)商設(shè)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(shù)

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(jī)用來臨時(shí)或動(dòng)態(tài)地將幾個(gè)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(jī)只傳送到其它子網(wǎng)絡(luò)用戶的數(shù)據(jù)。
• 與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)相比擴(kuò)大了可連接的終端數(shù)。
• 限制受影響子網(wǎng)絡(luò)的錯(cuò)誤傳輸。

交換技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 提供了形成子網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)段的能力。
• 由于數(shù)據(jù)通信的結(jié)構(gòu)化，提高了數(shù)據(jù)吞吐量，從而提高了整體網(wǎng)絡(luò)性能。
• 簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)配規(guī)則。
• 通過連接各個(gè)沖突域/子網(wǎng)絡(luò)，可不受限制地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)范圍。
• 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單、無(wú)障礙的擴(kuò)展。

全雙工

全雙工（FDX）是一種網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式，與半雙工相比，在全雙工時(shí)，終端可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 采用 FDX 時(shí)，終端內(nèi)的沖突檢測(cè)功能是自動(dòng)關(guān)閉的。

FDX的一個(gè)先決條件是使用有獨(dú)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(huì)出現(xiàn)沖突，因而支持 FDX 的部件能以正常的傳輸率同時(shí)發(fā)送和接收。 因此，數(shù)據(jù)吞吐量是網(wǎng)絡(luò)額定傳輸速率的兩倍，也就是，對(duì)于常規(guī)以太網(wǎng)為 20 Mbps，對(duì)于快速以太網(wǎng)為 200 Mbps。 千兆以太網(wǎng)可達(dá)到 2000 Mbps。

FDX 的其它優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模提高。

通過關(guān)閉激活沖突機(jī)制，F(xiàn)DX 能使二個(gè)部件間的距離增大到超過一個(gè)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(dá)到其性能極限。 這對(duì)與光纖部件的連接尤為重要。 在使用玻璃光纜時(shí)，兩個(gè)交換機(jī)之間可達(dá)到長(zhǎng) 200 km 的距離。

通過交換式全雙工增加性能

自動(dòng)檢測(cè)/自動(dòng)協(xié)商

自動(dòng)檢測(cè)描述的是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)終端和網(wǎng)絡(luò)部件）的特性，即自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)的傳輸速率（10 Mbps、100 Mbps 或 1000 Mbps），并支持自動(dòng)協(xié)商功能。

自動(dòng)協(xié)商是雙絞線的配置協(xié)議。 它使節(jié)點(diǎn)在發(fā)送個(gè)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(gè)特定的傳輸速率，也可以關(guān)閉自動(dòng)協(xié)商。

自動(dòng)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是，所有以太網(wǎng)部件實(shí)現(xiàn)互操作性。
不支持自動(dòng)檢測(cè)的常規(guī)以太網(wǎng)組件可與支持自動(dòng)檢測(cè)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(dòng)交叉

自動(dòng)交叉功能可在雙絞線接口上自動(dòng)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(cuò)誤后的快速網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是工業(yè)應(yīng)用*的特性。 否則，連接的終端會(huì)關(guān)閉邏輯通訊鏈路。 導(dǎo)致控制過程停止或系統(tǒng)的緊急停機(jī)。

為了取得極快速的響應(yīng)時(shí)間，使用了各種標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。 用這種過程，可在幾分之一秒時(shí)間內(nèi)重構(gòu)一個(gè)可用網(wǎng)絡(luò)。

由 50 個(gè)交換機(jī)組成的光纖環(huán)中，網(wǎng)絡(luò)故障后（如斷線或交換機(jī)故障）能夠在不到 300 ms 內(nèi)完成重構(gòu)。

除了在光纖環(huán)中實(shí)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(gè)交換機(jī)來耦合任何拓?fù)渲械沫h(huán)網(wǎng)或網(wǎng)段。

具有高速冗余性的光纖網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

具有高速冗余性的電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(xiàng)功能是 PROFINET MRP。 一方面，可通過交換機(jī)來實(shí)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(shí)現(xiàn)介質(zhì)冗余。 由于采用 MRP 協(xié)議 (IEC 61158 Type 10)，可實(shí)現(xiàn)小于 200 ms 的重構(gòu)時(shí)間，具體取決于站數(shù)。

如果環(huán)網(wǎng)在某個(gè)點(diǎn)處中斷，則可立即進(jìn)行重構(gòu)，所有通信節(jié)點(diǎn)仍可訪問。

SCALANCE X101-1/X101-1LD 電氣/光學(xué)環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光學(xué)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶SCALANCE X101-1/X101-1LD和遠(yuǎn)程SCALANCE W接入點(diǎn)

無(wú)縫冗余

對(duì)于在重組態(tài)時(shí)間方面要求*的某些應(yīng)用，冗余網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建可能不需要任何重組態(tài)時(shí)間（無(wú)縫冗余）。

為此，PROFINET 提出了 MRPD（計(jì)劃重復(fù)介質(zhì)冗余）標(biāo)準(zhǔn)。 該技術(shù)基于拓?fù)鋬?yōu)化的 IRT 通信。

IEC 62439-3 標(biāo)準(zhǔn)有兩種可以使用的其它解決方案，即高可用性無(wú)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(luò)運(yùn)行不因故障（例如， 線斷）而被中斷。 其實(shí)現(xiàn)方法是，在發(fā)送方重復(fù)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(wú)碰撞的平行網(wǎng)絡(luò)

支持 HSR 冗余過程的無(wú)碰撞環(huán)網(wǎng)

生成樹算法的冗余

生成樹算法在 IEEE 802.1D 標(biāo)準(zhǔn)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(jī)組成的交錯(cuò)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

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

為此，交換機(jī)彼此之間采用生成樹協(xié)議進(jìn)行通信。 由于這種協(xié)議必須適應(yīng)任何網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此十分復(fù)雜。

用生成樹協(xié)議組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)約需 30～60 秒時(shí)間。 在這段時(shí)間內(nèi)，在網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.1 的時(shí)間優(yōu)化型“快速重構(gòu)生成樹”中，可串聯(lián)多達(dá) 10 個(gè)交換機(jī)，時(shí)間將縮短為 1 至 3 秒。

這種協(xié)議，由于重配置時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因此，主要用在辦公網(wǎng)絡(luò)中。 在連接到辦公網(wǎng)絡(luò)時(shí)，有些 SIMATIC NET 交換機(jī)也支持快速生成樹協(xié)議。

交換網(wǎng)絡(luò)

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

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

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

交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的大小是任意的. 對(duì)于更大型的網(wǎng)絡(luò)，還要考慮信號(hào)延遲（取決于應(yīng)用）。

可以使用 POF/PCF 或玻璃光線光纜進(jìn)行布線

在易受強(qiáng)電磁場(chǎng)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(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸，而對(duì)于短距離傳輸，則使用由導(dǎo)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的設(shè)備級(jí)光纖布線。 在現(xiàn)場(chǎng)可以快速、方便地組裝 SC RJ 連接器。 為此設(shè)計(jì)的塑料光纖電纜可以通用或于吊纜系統(tǒng)。

對(duì)于光纖布線（例如，對(duì)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(jī)或 ET 200S 分布式 I/O 設(shè)備。

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

高可用性通信

冗余連接提高了通信可用性，發(fā)生故障時(shí)，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）

.

通過冗余通訊接口可增強(qiáng)可用性

控制層上的千兆以太網(wǎng)

在現(xiàn)場(chǎng)層，數(shù)據(jù)報(bào)文幀的響應(yīng)時(shí)間較短；而控制層上對(duì)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(zhǎng)的結(jié)點(diǎn)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(yīng)用程序或多媒體應(yīng)用程序。

除了具有千兆能力的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)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(shí)通過一個(gè)可選的外部電源提高網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)控制層和現(xiàn)場(chǎng)層之間的集成網(wǎng)絡(luò)分隔，并能提供：

• 模塊上的單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)接口用于連接兩個(gè)獨(dú)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(chǎng)層為 IP 子網(wǎng) 2（快速以太網(wǎng)）。
• 通過 IP 路由實(shí)現(xiàn) IT 服務(wù)的交叉網(wǎng)絡(luò)利用，如訪問 Web 服務(wù)器
• 下位現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與 PROFINET 連接的短響應(yīng)時(shí)間
• 防火墻，用于防止 PLC 被未*訪問，與要保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模無(wú)關(guān)。
• 通過補(bǔ)充或替代 VPN（Virtual Private Network，虛擬網(wǎng)）對(duì)通信伙伴進(jìn)行可靠身份驗(yàn)證并對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密

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

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和企業(yè)級(jí)之間的網(wǎng)絡(luò)分離

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

在將 CP 343-1 Advanced 和 CP 443-1 Advanced 通信處理器用于 S7 控制器時(shí)，很容易滿足這一要求。 通過在一個(gè)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(dú) 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(hù)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模無(wú)關(guān)。 作為一個(gè)替代或補(bǔ)充方案，可通過 VPN（Virtual Private Network，虛擬網(wǎng)）來對(duì)通信伙伴進(jìn)行安全身份驗(yàn)證并對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)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(tái) SCALANCE X-400 交換機(jī)。如果與工廠總線連接的節(jié)點(diǎn)較多，就可將 XR-500 或 XM-400 交換機(jī)結(jié)合端口擴(kuò)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(gè)操作員面板，并在兩個(gè)交換機(jī)之間分配，以便在一臺(tái)交換機(jī)故障時(shí)系統(tǒng)仍能運(yùn)行。 例如，終端總線和工廠總線使用冗余服務(wù)器進(jìn)行連接，使用 SCALANCE X408-2 時(shí)，也可通過高性能千兆線路進(jìn)行連接。

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

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

使用 PROFIsafe，實(shí)現(xiàn)故障安全無(wú)線通訊

多年以來，安全技術(shù)已集成到基于 SIMATIC S7 控制器、PROFIBUS 和 PROFIsafe 的標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化系統(tǒng)中。

這一范圍已由具有 PROFINET 功能的部件加以擴(kuò)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(yīng)組態(tài)環(huán)境的一個(gè)完整產(chǎn)品系列。

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

使用 PROFIsafe，實(shí)現(xiàn)故障安全無(wú)線通訊

網(wǎng)絡(luò)耦聯(lián)

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

• 靜態(tài)路由
• 動(dòng)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(jié)合

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