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概述

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工業以太網的網絡性能和網絡技術

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

• 快速以太網，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 (Fast Ethernet)，提供了一個 4 線制 FastConnect 布線系統 (Cat5e)，包括電纜、插頭和插座。
• 千兆以太網，傳輸速率 1 Gbps：
  千兆以太網比快速以太網快 10 倍，電纜占用時間僅為其十分之一。 針對千兆以太網，提供了一個 8 線制 FastConnect 布線系統 (Cat6)，包括電纜、插頭和插座。
• 千兆以太網，傳輸速率 10 Gbps：
  與 1 Gbps 以太網相比，10 Gbps 以太網的速度是其 10 倍。
• 全雙工可防止沖突：
  在兩個交換機之間可同時發送和接收數據。 因此，全雙工連接的數據吞吐量對于快速以太網為 200 Mbps，對于千兆以太網為 2 Gbps。 采用全雙工傳輸時，網絡可覆蓋更大距離。 這意味著，例如，采用玻璃光纖電纜可以實現 200 km 的遠距離。
  常見幀重復問題的避免顯著地提高了數據吞吐量。
• 交換可降低網絡數據流量：
  交換機動態地“連接”當前正在通信的那些站。 因此，在整個網絡中，幾條報文可同時傳送， 大大提高了網絡的功能。 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絡節點（數據終端和網絡部件）的特性，即自動檢測信號的傳輸速率（10 Mbps、100 Mbps 或 1 Gbps），并支持自動協商功能。
• 自動協商是快速以太網的配置協議。 在啟動實際數據傳輸前，網絡設備自動協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）。

以太網交換技術

工業以太網具有以下功能：

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

交換技術具有以下優點：

• 提供了形成子網絡和網絡段的能力。
• 由于數據通信的結構化，提高了數據吞吐量，從而提高了整體網絡性能。
• 簡單的網絡配規則。
• 通過連接各個沖突域/子網絡，可不受限制地擴展網絡范圍。
• 實現現有網絡的簡單、無障礙的擴展。

全雙工

全雙工（FDX）是一種網絡運行方式，與半雙工相比，在全雙工時，終端可以同時發送和接收數據。 采用 FDX 時，終端內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送和接收通道的傳輸介質（如 FO 和 ITP），并且所使用的部件有保存數據的能力。 FDX 連接中不會出現沖突，因而支持 FDX 的部件能以正常的傳輸率同時發送和接收。 因此，數據吞吐量是網絡額定傳輸速率的兩倍，也就是，對于常規以太網為 20 Mbps，對于快速以太網為 200 Mbps。 千兆以太網可達到 2000 Mbps。

FDX 的其它優點是網絡規模提高。

通過關閉激活沖突機制，FDX 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/自動協商

自動檢測描述的是網絡節點（數據終端和網絡部件）的特性，即自動檢測信號的傳輸速率（10 Mbps、100 Mbps 或 1000 Mbps），并支持自動協商功能。

自動協商是雙絞線的配置協議。 它使節點在發送個數據包之前為傳輸而協商傳輸率：

• 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，也可以關閉自動協商。

自動檢測的優點是，所有以太網部件實現互操作性。
不支持自動檢測的常規以太網組件可與支持自動檢測的快速以太網組件和新的千兆以太網組件組合使用。

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）。

高速冗余協議 (HRP)

出錯誤后的快速網絡重構是工業應用*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議。 用這種過程，可在幾分之一秒時間內重構一個可用網絡。

由 50 個交換機組成的光纖環中，網絡故障后（如斷線或交換機故障）能夠在不到 300 ms 內完成重構。

除了在光纖環中實現高速介質冗余外，工業以太網還提供有環網或網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網或網段。

具有高速冗余性的光纖網絡拓撲結構

具有高速冗余性的電網絡拓撲結構

介質冗余協議 (MRP)

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

如果環網在某個點處中斷，則可立即進行重構，所有通信節點仍可訪問。

SCALANCE X101-1/X101-1LD 電氣/光學環網拓撲結構

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

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

為此，PROFINET 提出了 MRPD（計劃重復介質冗余）標準。 該技術基于拓撲優化的 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）和并行冗余協議（PRP）。

全部這些方法有利于網絡運行不因故障（例如， 線斷）而被中斷。 其實現方法是，在發送方重復數據包，并通過不同通路將它們發送給接收方。

支持 PRP 冗余過程、無碰撞的平行網絡

支持 HSR 冗余過程的無碰撞環網

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量的由網橋和交換機組成的交錯以太網結構。

為了防止數據包在網絡中循環，可將封閉的網狀網絡中的各連接切換為備用，以便從網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議進行通信。 由于這種協議必須適應任何網絡結構，因此十分復雜。

用生成樹協議組織網絡結構約需 30～60 秒時間。 在這段時間內，在網絡內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 的時間優化型“快速重構生成樹”中，可串聯多達 10 個交換機，時間將縮短為 1 至 3 秒。

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

交換網絡

可通過電氣或光纖方式組態交換式工業網絡，網絡可為總線形、星形或環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，并用于連接至終端設備電纜（例如，雙絞線電纜）。

交換機網絡的大小是任意的. 對于更大型的網絡，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)的環境下，如果不能保證可靠的等電位搭接或系統暴露在空氣中，建議使用光纖電纜。

玻璃光纖光纜用于長距離數據傳輸，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，可實現簡單的設備級光纖布線。 在現場可以快速、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。

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

采用 SCALANCE X202-2P IRT 和 SCALANCE X101-1POF 介質轉換器的混合網絡

高可用性通信

冗余連接提高了通信可用性，發生故障時，可將數據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

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

除了具有千兆能力的網絡基礎架構外，還有具有千兆能力的系統連接，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 系統的高性能連接，同時通過一個可選的外部電源提高網絡可靠性。

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

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

現場層和企業層之間的網絡分離，包括控制層上千兆通信

現場級和企業級之間的網絡分離

經常必須將各個網絡實現物理相互分離，但相互之間必須能進行通訊。 網絡分離的原因包括：需進行審慎的負荷分離，或企業內部具有各種不同職責（如辦公和生產網絡）。

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和快速以太網中各種單獨 IP 子網的接口，就可通過靜態 IP 路由來 防火墻，用于防止 PLC 被未*訪問，與要保護的網絡規模無關。 作為一個替代或補充方案，可通過 VPN（Virtual Private Network，虛擬網）來對通信伙伴進行安全身份驗證并對傳輸的數據進行加密。

采用千兆以太網的 SIMATIC PCS 7 過程控制系統

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，用于創建數據傳輸速率為 1 Gbps 的電氣環網。

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（例如 PCS 7）中使用 SCALANCE X 交換機

工廠網絡可通過 SCALANCE X-500 連接到管理層或公司網絡

使用 PROFIsafe，實現故障安全無線通訊

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 以及相應組態環境的一個完整產品系列。

通過對 PROFIsafe 數據進行連續編號、進行時間監控以及使用密碼或優化的循環冗余校驗 (CRC) 進行真實性監視 PROFIsafe 可防止錯誤，如地址損壞、丟失、延遲等。

使用 PROFIsafe，實現故障安全無線通訊

網絡耦聯

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

• 靜態路由
• 動態路由 OSPF（開放式短路徑優先）和
• RIPv1/2（路由信息協議）
• 冗余路由 VRRP（虛擬路由器冗余協議）

高性能第三層交換與冗余路由 (VRRP) 相結合

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