工業(yè)以太網(wǎng)介紹及與普通以太網(wǎng)區(qū)別

3.1根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的不同，PROFINET支持下列三種通訊方式：

1.TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通訊

PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP是IT領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，盡管其響應(yīng)時(shí)間大概在100ms的量級(jí)，不過(guò)，對(duì)于工廠控制級(jí)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這個(gè)響應(yīng)時(shí)間就足夠了。

2.實(shí)時(shí)(RT)通訊

對(duì)于傳感器和執(zhí)行器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求更為嚴(yán)格，因此，PROFINET提供了一個(gè)優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層(Layer2)的實(shí)時(shí)通訊通道，通過(guò)該實(shí)時(shí)通道，極大地減少了數(shù)據(jù)在通訊棧中的處理時(shí)間，PROFINET實(shí)時(shí)通訊(RT)的典型響應(yīng)時(shí)間是5-10ms。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也包含在網(wǎng)絡(luò)的同步過(guò)程之中，即交換機(jī)。同步的的交換機(jī)在PROFINET概念中占有十分重要的位置，在傳統(tǒng)的交換機(jī)中，要傳遞的信息必定在交換機(jī)中延遲一段時(shí)間，直到交換機(jī)翻譯出信息的目的地址并轉(zhuǎn)發(fā)該信息為止。這種基于地址的信息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的傳送時(shí)間產(chǎn)生不利的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，PROFINET在實(shí)時(shí)通道中使用一種優(yōu)化的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

3.等時(shí)同步實(shí)時(shí)(IRT)通訊

在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊中，對(duì)通訊實(shí)時(shí)性要求最高的是運(yùn)動(dòng)控制(MotionControl)，PROFINET的等時(shí)同步實(shí)時(shí)(IsochronousReal-Time,IRT)技術(shù)可以滿足運(yùn)動(dòng)控制的高速通訊需求，在100個(gè)節(jié)點(diǎn)下，其響應(yīng)時(shí)間要小于1ms，抖動(dòng)誤差要小于1μs，以此來(lái)保證及時(shí)的、確定的響應(yīng)。

注：目前西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)都為實(shí)時(shí)(RT)通訊交換機(jī)，其中的200系列里面有一部分是等時(shí)同步(IRT)通訊交換機(jī)。

3.2 PROFINET的等時(shí)同步實(shí)時(shí)(IsochronousReal-Time,IRT)技術(shù)。

對(duì)于PROFINET網(wǎng)絡(luò)，為了保證高質(zhì)量的等時(shí)通訊，所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須很好的實(shí)現(xiàn)同步。這樣才能保證數(shù)據(jù)在精確相等的時(shí)間間隔內(nèi)被傳輸，網(wǎng)絡(luò)上的所有站點(diǎn)必須通過(guò)精確的時(shí)鐘同步以實(shí)現(xiàn)同步實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。例如：通過(guò)規(guī)律的同步數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)通訊循環(huán)的同步，其精度可以達(dá)到微秒級(jí)。這個(gè)同步過(guò)程可以精確的記錄其所控制的系統(tǒng)的所有時(shí)間參數(shù)，因此能夠在每個(gè)循環(huán)的開(kāi)始實(shí)現(xiàn)非常精確的時(shí)間同步。這么高的同步水平單純靠軟件是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，想要獲得這么高精度的同步實(shí)時(shí)，必須依靠網(wǎng)絡(luò)第二層中硬件的支持，即西門(mén)子IRT等時(shí)實(shí)時(shí)ASIC芯片。

每個(gè)通訊周期被分成兩個(gè)不同的部分，一個(gè)是循環(huán)的、確定的部分，稱之為實(shí)時(shí)通道;另外一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)通道，標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)通過(guò)這個(gè)通道傳輸。

在實(shí)時(shí)通道中，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)留了固定循環(huán)間隔的時(shí)間窗，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總是按固定的次序插入，因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)就在固定的間隔被傳送，循環(huán)周期中剩余的時(shí)間用來(lái)傳遞標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)。兩種不同類型的數(shù)據(jù)就可以同時(shí)在PROFINET上傳遞，而且不會(huì)互相干擾，實(shí)現(xiàn)了PROFINET技術(shù)對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)的兼容。基于普通以太網(wǎng)技術(shù)的各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，如SNMP、HTML等，也同樣可以在PROFINET上運(yùn)行。用戶在獲得高性能的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，還可以享受以太網(wǎng)技術(shù)和IT技術(shù)帶來(lái)的便利。

由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在確定的時(shí)刻以確定的順序發(fā)送，因此，在交換機(jī)中建立一個(gè)時(shí)間表格，通過(guò)該時(shí)間表格，交換機(jī)就可以知道在什么時(shí)間來(lái)傳送實(shí)時(shí)信息，信息的轉(zhuǎn)發(fā)幾乎沒(méi)有延時(shí)。如果有發(fā)生沖突的危險(xiǎn)，標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP信息就暫時(shí)保存在交換機(jī)中，在下個(gè)開(kāi)放通訊周期再發(fā)送。通過(guò)使用這種機(jī)制，很好的保證了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。例如：使用PROFINET構(gòu)建的實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)可以在1ms的時(shí)間周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)100多個(gè)軸的控制，其抖動(dòng)誤差小于1μs，很好的滿足了運(yùn)動(dòng)控制對(duì)通訊實(shí)時(shí)性的要求。

3.3 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)基本類型和網(wǎng)絡(luò)硬件

SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)有2種類型，分別為10Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)和100Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)(現(xiàn)在千兆以太網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用)。它是利用帶傳輸技術(shù)，基于IEEE802.3利用CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)方法的單元級(jí)和控制級(jí)傳輸網(wǎng)絡(luò)。在西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)中，通常使用的的物理傳輸介質(zhì)是屏蔽雙絞線(TP)，工業(yè)屏蔽雙絞線(ITP)以及光纖。TP連接常用于端對(duì)端的連接。一個(gè)數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)直接連接到網(wǎng)絡(luò)連接元件端口，而該設(shè)備負(fù)責(zé)將信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)發(fā)。在SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)中，這些網(wǎng)絡(luò)連接元件有OLM(光學(xué)鏈接模板)ELM(電氣連接模板)OSM(光學(xué)交換機(jī)模板)和ESM(電氣交換機(jī)模板)。DTE與連接元件之間通過(guò)TP或ITP電纜連接。

3.4 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)部件

SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)部件包括工業(yè)以太網(wǎng)鏈路模板OLM，ELM和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)OSM/ESM和ELS以及工業(yè)以太網(wǎng)鏈路模塊OMC。其中OLM(光鏈路模塊)有3個(gè)ITP接口和二個(gè)BFOC接口。ITP接口可以連接三個(gè)終端設(shè)備和網(wǎng)段，BFOC接口可以連接二個(gè)光路設(shè)備(如OLM等)，速度為10Mbit/s。ELM(電氣鏈路模塊)有3個(gè)ITP接口和一個(gè)AUI接口。通過(guò)AUI接口可以將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到LAN上，速度為10Mbit/s。在普通OSM上，電氣接口(TP/ITP)都是10/100 Mbit/s自適應(yīng)的且線序自適應(yīng)。光纖接口為100 Mbit/s全雙工的BFOC接口，適用于多模光纖連接。二個(gè)OSM之間的最遠(yuǎn)距離為3km。在同一個(gè)網(wǎng)段上最多可以連接50個(gè)OSM，則擴(kuò)展距離為150km。同時(shí)它還有地址學(xué)習(xí)，地址刪除，設(shè)置傳輸波特率(10或100 Mbit/s)及自適應(yīng)功能，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)配置和增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力。此外，根據(jù)IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)，OSM/ESM還支持VLAN(虛擬局域網(wǎng))，它提供數(shù)據(jù)包的VLAN優(yōu)先權(quán)標(biāo)簽。它將數(shù)據(jù)分配為由低到高(0-7)的優(yōu)先權(quán)級(jí)別，對(duì)于沒(méi)有目的地址的數(shù)據(jù)包則被視為低優(yōu)先權(quán)的數(shù)據(jù)幀。

3.5 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.5.1 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在OLM或ELM的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，DTE設(shè)備可以通過(guò)ITP電纜及接口連接在OLM或ELM上。每個(gè)OLM或ELM有三個(gè)ITP接口。OLM之間可以通過(guò)光纜進(jìn)行連接，最多可以級(jí)聯(lián)11個(gè)。而在ELM之間可以通過(guò)ITP XP標(biāo)準(zhǔn)電纜進(jìn)行連接，最多可以級(jí)聯(lián)13個(gè)。ESM可以通過(guò)TP/ITP電纜相連組成總型網(wǎng)絡(luò)。任何一個(gè)端口都可以做為級(jí)聯(lián)的端口使用。二個(gè)ESM之間的距離不能超過(guò)100m，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以連接50個(gè)ESM。

3.5.2 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

OLM可以通過(guò)光纜將總線型網(wǎng)絡(luò)首尾相連，從而構(gòu)成環(huán)行網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上最多可以級(jí)聯(lián)11個(gè)OLM，與總線型網(wǎng)絡(luò)相比冗余環(huán)網(wǎng)增加了數(shù)據(jù)交換的可靠性。而OSM/ESM也能夠構(gòu)成環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們具有網(wǎng)絡(luò)冗余管理功能。它們通過(guò)DIP開(kāi)關(guān)可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)OSM/ESM做為冗余管理器。因而可以組成冗余的環(huán)網(wǎng)，其中OSM/ESM上7，8口作為環(huán)網(wǎng)的光纜級(jí)連接口。做為冗余管理器的OSM監(jiān)測(cè)7，8口的狀態(tài)，一旦檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中斷，將重新構(gòu)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)切換到備份的通道上，保證數(shù)據(jù)交換不會(huì)中斷。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時(shí)間小于0.3S。