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工业以太网的网络性能和网络技术

组合使用时，与原来的 10 Mbpps 技术相比，当前工业以太网技术可显着提高网络性能。 这些技术包括：

• 快速以太网，传输速率 100 Mbps： 
  与 10 Mbps 相比，报文传输速度要快很多，因此占用电缆的时间较短。 针对快速以太网 (Fast Ethernet)，提供了一个 4 线制 FastConnect 布线系统 (Cat5e)，包括电缆、插头和插座。
• 千兆以太网，传输速率 1 Gbps： 
  千兆以太网比快速以太网快 10 倍，电缆占用时间仅为其十分之一。 针对千兆以太网，提供了一个 8 线制 FastConnect 布线系统 (Cat6)，包括电缆、插头和插座。
• 千兆以太网，传输速率 10 Gbps： 
  与 1 Gbps 以太网相比，10 Gbps 以太网的速度是其 10 倍。
• 全双工可防止冲突： 
  在两个交换机之间可同时发送和接收数据。 因此，全双工连接的数据吞吐量对于快速以太网为 200 Mbps，对于千兆以太网为 2 Gbps。 采用全双工传输时，网络可覆盖更大距离。 这意味着，例如，采用玻璃光纤电缆可以实现 200 km 的较远距离。
  常见帧重复问题的避免显着地提高了数据吞吐量。
• 交换可降低网络数据流量： 
  交换机动态地“连接”当前正在通信的那些站。 因此，在整个网络中，几条报文可同时传送， 大大提高了网络的功能。 性能上的提升源于这样一个事实，即，多个消息帧可以同时流经交换机（它们之间如同并行地传输）。
• 使用自动交叉功能，支持发送线和接收线在双绞线接口自动交叉。
• 自动检测描述的是网络节点（数据终端和网络部件）的特性，即自动检测信号的传输速率（10 Mbps、100 Mbps 或 1 Gbps），并支持自动协商功能。
• 自动协商是快速以太网的配置协议。 在启动实际数据传输前，网络设备自动协商设备支持的一种传输模式（1000 Mbps、100 Mbps 或 10 Mbps，全双工或半双工）。

以太网交换技术西门子代理商总代理一级代理商

工业以太网具有以下功能：

• 根据可用接口数量，交换机用来临时或动态地将几个子网或站彼此连接。
• 根据终端的以太网（MAC）地址，过滤数据传输，局部数据传输依旧保持局部，并且交换机只传送到其它子网络用户的数据。
• 与传统的以太网网络相比扩大了可连接的终端数。
• 限制受影响子网络的错误传输。

交换技术具有以下优点：

• 提供了形成子网络和网络段的能力。
• 由于数据通信的结构化，提高了数据吞吐量，从而提高了整体网络性能。
• 简单的网络配规则。
• 通过连接各个冲突域/子网络，可不受限制地扩展网络范围。
• 实现现有网络的简单、无障碍的扩展。

全双工西门子代理商总代理一级代理商

全双工（FDX）是一种网络运行方式，与半双工相比，在全双工时，终端可以同时发送和接收数据。 采用 FDX 时，终端内的冲突检测功能是自动关闭的。

FDX的一个先决条件是使用有独立发送和接收通道的传输介质（如 FO 和 ITP），并且所使用的部件有保存数据的能力。 FDX 连接中不会出现冲突，因而支持 FDX 的部件能以正常的传输率同时发送和接收。 因此，数据吞吐量是网络额定传输速率的两倍，也就是，对于常规以太网为 20 Mbps，对于快速以太网为 200 Mbps。 千兆以太网可达到 2000 Mbps。

FDX 的其它优点是网络规模提高。

通过关闭激活冲突机制，FDX 能使二个部件间的距离增大到**过一个冲突域的范围。 使用全双工功能，有可能使所用的发送和接收部件的传送距离达到其性能极限。 这对与光纤部件的连接尤为重要。 在使用玻璃光缆时，两个交换机之间可达到较长 200 km 的距离。

通过交换式全双工增加性能

自动检测/自动协商

自动检测描述的是网络节点（数据终端和网络部件）的特性，即自动检测信号的传输速率（10 Mbps、100 Mbps 或 1000 Mbps），并支持自动协商功能。

自动协商是双绞线的配置协议。 它使节点在发送**个数据包之前为传输而协商传输率：

• 10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps 或 10 Gbps
• 全双工或半双工西门子代理商总代理一级代理商

为了保证一个特定的传输速率，也可以关闭自动协商。

自动检测的优点是，所有以太网部件实现互操作性。 
不支持自动检测的常规以太网组件可与支持自动检测的快速以太网组件和新的千兆以太网组件组合使用。

自动交叉

自动交叉功能可在双绞线接口上自动交叉发送线和接收线。 这意味着不再需要交叉连接线（例如 TP XP 线）。

高速冗余协议 (HRP)

出错误后的快速网络重构是工业应用不可缺少的特性。 否则，连接的终端会关闭逻辑通讯链路。 导致控制过程停止或系统的紧急停机。

为了取得较快速的响应时间，使用了各种标准化协议。 用这种过程，可在几分之一秒时间内重构一个可用网络。

由 50 个交换机组成的光纤环中，网络故障后（如断线或交换机故障）能够在不到 300 ms 内完成重构。

除了在光纤环中实现高速介质冗余外，工业以太网还提供有环网或网段的高速冗余耦合所需的功能。 在每种情况下，可通过两个交换机来耦合任何拓扑中的环网或网段。

具有高速冗余性的光纤网络拓扑结构

具有高速冗余性的电网络拓扑结构

介质冗余协议 (MRP)

另一种可以获得更高系统可用性的选项功能是 PROFINET MRP。 一方面，可通过交换机来实现介质冗余；另一方面，可通过 SIMATIC 控制器上的 PROFINET 接口和分布式 I/O 来实现介质冗余。 由于采用 MRP 协议 (IEC 61158 Type 10)，可实现小于 200 ms 的重构时间，具体取决于站数。

如果环网在某个点处中断，则可立即进行重构，所有通信节点仍可访问。西门子代理商总代理一级代理商

SCALANCE X101-1/X101-1LD 电气/光学环网拓扑结构

光学星形拓扑结构，带SCALANCE X101-1/X101-1LD和远程SCALANCE W接入点

无缝冗余

对于在重组态时间方面要求较高的某些应用，冗余网络的构建可能不需要任何重组态时间（无缝冗余）。

为此，PROFINET 提出了 MRPD（计划重复介质冗余）标准。 该技术基于拓扑优化的 IRT 通信。

IEC 62439-3 标准有两种可以使用的其它解决方案，即高可用性无缝冗余（HSR）和并行冗余协议（PRP）。

全部这些方法有利于网络运行不因故障（例如， 线断）而被中断。 其实现方法是，在发送方重复数据包，并通过不同通路将它们发送给接收方。

支持 PRP 冗余过程、无碰撞的平行网络

支持 HSR 冗余过程的无碰撞环网

生成树算法的冗余

生成树算法在 IEEE 802.1D 标准中描述；该算法的目的是组织任何数量的由网桥和交换机组成的交错以太网结构。

为了防止数据包在网络中循环，可将封闭的网状网络中的各连接切换为备用，以便从网状结构获得开放式的树形结构。

为此，交换机彼此之间采用生成树协议进行通信。 由于这种协议必须适应任何网络结构，因此十分复杂。

用生成树协议组织网络结构约需 30～60 秒时间。 在这段时间内，在网络内不可能有用于可靠可视化或过程控制的有效通讯。

在符合标准 IEEE 802.1 的时间优化型“快速重构生成树”中，可串联多达 10 个交换机，时间将缩短为 1 至 3 秒。西门子代理商总代理一级代理商

这种协议，由于重配置时间相对较长，因此，主要用在办公网络中。 在连接到办公网络时，有些 SIMATIC NET 交换机也支持快速生成树协议。

交换网络

可通过电气或光纤方式组态交换式工业网络，网络可为总线形、星形或环形结构或它们的组合。

它们是使用 SCALANCE X 交换机以及集成在终端设备中的交换机（例如，集成在通信处理器中的交换机）构建的。

电缆（如双绞线电缆）或光缆用作交换机间的传输介质，并用于连接至终端设备电缆（例如，双绞线电缆）。

交换机网络的大小是任意的. 对于更大型的网络，还要考虑信号延迟（取决于应用）。

可以使用 POF/PCF 或玻璃光线光缆进行布线

在易受强电磁场干扰 (EMI)的环境下，如果不能保证可靠的等电位搭接或系统暴露在空气中，建议使用光纤电缆。

玻璃光纤光缆用于长距离数据传输，而对于短距离传输，则使用由导光塑料制成的塑料光纤电缆（如聚合物光纤 (POF)）或使用塑料包覆光纤（如聚合物包层光纤 (PCF)）。

使用用于聚酯光纤和 PCF 的 SC RJ 连接系统，可实现简单的设备级光纤布线。 在现场可以快速、方便地组装 SC RJ 连接器。 为此设计的塑料光纤电缆可以通用或**于吊缆系统。

对于光纤布线（例如，对于 PROFINET 系统），可使用带 POF 或 PCF 接头的产品，如 SCALANCE X200-4P IRT 工业以太网交换机或 ET 200S 分布式 I/O 设备。

采用 SCALANCE X202-2P IRT 和 SCALANCE X101-1POF 介质转换器的混合网络

高可用性通信

冗余连接提高了通信可用性，发生故障时，可将数据传输快速切换到冗余通信连接。

可从 S7-400H 站建立到以下站的高可用性 S7 连接：

• 其它 H 站（单通道或双通道）
• PC（需要 S7-REDCONNECT 软件）

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通过冗余通讯接口可增强可用性

控制层上的千兆以太网

在现场层，数据报文帧的响应时间较短；而控制层上对高数据吞吐量的需求在不断增加。 其原因在于快速增长的结点数量和海量数据系统，如 HMI，SCADA，条码读取系统，web 应用程序或多媒体应用程序。

除了具有千兆能力的网络基础架构外，还有具有千兆能力的系统连接，用于连接 PC 或 SIMATIC S7-300/400/1500。用于 PCI Express 的 CP 1623 通讯处理器支持 HMI/SCADA 系统的高性能连接，同时通过一个可选的外部电源提高网络可靠性。

用于 SIMATIC S7-300/400 的 CP 343-1 Advanced 和 CP 443-1 Advanced 通信处理器可实现控制层和现场层之间的集成网络分隔，并能提供：

• 模块上的单独网络接口用于连接两个独立 IP 子网，例如，控制层为 IP 子网 1（千兆以太网），而现场层为 IP 子网 2（快速以太网）。
• 通过 IP 路由实现 IT 服务的交叉网络利用，如访问 Web 服务器
• 下位现场设备与 PROFINET 连接的短响应时间
• 防火墙，用于防止 PLC 被未授权访问，与要保护的网络规模无关。
• 通过补充或替代 *（Virtual Private Network，虚拟**网）对通信伙伴进行可靠身份验证并对传输的数据进行加密

现场层和企业层之间的网络分离，包括控制层上千兆通信

现场级和企业级之间的网络分离

经常必须将各个网络实现物理相互分离，但相互之间必须能进行通讯。 网络分离的原因包括：需进行审慎的负荷分离，或企业内部具有各种不同职责（如办公和生产网络）。

在将 CP 343-1 Advanced 和 CP 443-1 Advanced 通信处理器用于 S7 控制器时，很容易满足这一要求。 通过在一个模块上提供用于千兆以太网和快速以太网中各种单独 IP 子网的接口，就可通过静态 IP 路由来 防火墙，用于防止 PLC 被未授权访问，与要保护的网络规模无关。 作为一个替代或补充方案，可通过 *（Virtual Private Network，虚拟**网）来对通信伙伴进行安全身份验证并对传输的数据进行加密。

采用千兆以太网的 SIMATIC PCS 7 过程控制系统

在控制室中，将在终端总线上使用两台 SCALANCE X-400 交换机。如果与工厂总线连接的节点较多，就可将 XR-500 或 XM-400 交换机结合端口扩展器使用。 它们可相互连接在一起，用于创建数据传输速率为 1 Gbps 的电气环网。

提供有几个操作员面板，并在两个交换机之间分配，以便在一台交换机故障时系统仍能运行。 例如，终端总线和工厂总线使用冗余服务器进行连接，使用 SCALANCE X408-2 时，也可通过高性能千兆线路进行连接。

在过程控制系统（例如 PCS 7）中使用 SCALANCE X 交换机

工厂网络可通过 SCALANCE X-500 连接到管理层或公司网络

使用 PROFIsafe，实现故障安全无线通讯

多年以来，安全技术已集成到基于 SIMATIC S7 控制器、PROFIBUS 和 PROFIsafe 的标准自动化系统中。

这一范围已由具有 PROFINET 功能的部件加以扩展，从而提供了包含故障安装控制器、故障安全 I/O 以及相应组态环境的一个完整产品系列。西门子代理商总代理一级代理商

通过对 PROFIsafe 数据进行连续编号、进行时间监控以及使用密码或优化的循环冗余校验 (CRC) 进行真实性监视 PROFIsafe 可防止错误，如地址损坏、丢失、延迟等。

使用 PROFIsafe，实现故障安全无线通讯

网络耦联

要进行高性能的网络耦合，可使用模块化工业以太网交换机 SCALANCE XM-400。 使用 SCALANCE XM-400，可通过高速 IP 路由实现不同 IP 子网和路由器之间的通信。 支持该技术的方法包括：

• 静态路由
• 动态路由 OSPF（开放式较短路径**）和
• RIPv1/2（路由信息协议）
• 冗余路由 VRRP（虚拟路由器冗余协议）

高性能*三层交换与冗余路由 (VRRP) 相结合