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)響應時間的不同，PROFINET支持下列三種通訊方式：

1.TCP/IP標準通訊

PROFINET基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標準。TCP/IP是IT領域關(guān)于通信協(xié)議方面事實上的標準，盡管其響應時間大概在100ms的量級，不過，對于工廠控制級的應用來說，這個響應時間就足夠了。

2.實時(RT)通訊

對于傳感器和執(zhí)行器設備之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對響應時間的要求更為嚴格，因此，PROFINET提供了一個優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層(Layer2)的實時通訊通道，通過該實時通道，極大地減少了數(shù)據(jù)在通訊棧中的處理時間，PROFINET實時通訊(RT)的典型響應時間是5-10ms。

網(wǎng)絡節(jié)點也包含在網(wǎng)絡的同步過程之中，即交換機。同步的的交換機在PROFINET概念中占有十分重要的位置，在傳統(tǒng)的交換機中，要傳遞的信息必定在交換機中延遲一段時間，直到交換機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)機制會對數(shù)據(jù)的傳送時間產(chǎn)生不利的影響。為了解決這個問題，PROFINET在實時通道中使用一種優(yōu)化的機制來實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

3.等時同步實時(IRT)通訊

在現(xiàn)場級通訊中，對通訊實時性要求最高的是運動控制(MotionControl)，PROFINET的等時同步實時(IsochronousReal-Time,IRT)技術(shù)可以滿足運動控制的高速通訊需求，在100個節(jié)點下，其響應時間要小于1ms，抖動誤差要小于1μs，以此來保證及時的、確定的響應。

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

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

對于PROFINET網(wǎng)絡，為了保證高質(zhì)量的等時通訊，所有的網(wǎng)絡節(jié)點必須很好的實現(xiàn)同步。這樣才能保證數(shù)據(jù)在精確相等的時間間隔內(nèi)被傳輸，網(wǎng)絡上的所有站點必須通過精確的時鐘同步以實現(xiàn)同步實時以太網(wǎng)。例如：通過規(guī)律的同步數(shù)據(jù)實現(xiàn)通訊循環(huán)的同步，其精度可以達到微秒級。這個同步過程可以精確的記錄其所控制的系統(tǒng)的所有時間參數(shù)，因此能夠在每個循環(huán)的開始實現(xiàn)非常精確的時間同步。這么高的同步水平單純靠軟件是無法實現(xiàn)的，想要獲得這么高精度的同步實時，必須依靠網(wǎng)絡第二層中硬件的支持，即西門子IRT等時實時ASIC芯片。

每個通訊周期被分成兩個不同的部分，一個是循環(huán)的、確定的部分，稱之為實時通道;另外一個是標準通道，標準的TCP/IP數(shù)據(jù)通過這個通道傳輸。

在實時通道中，為實時數(shù)據(jù)預留了固定循環(huán)間隔的時間窗，而實時數(shù)據(jù)總是按固定的次序插入，因此，實時數(shù)據(jù)就在固定的間隔被傳送，循環(huán)周期中剩余的時間用來傳遞標準的TCP/IP數(shù)據(jù)。兩種不同類型的數(shù)據(jù)就可以同時在PROFINET上傳遞，而且不會互相干擾，實現(xiàn)了PROFINET技術(shù)對以太網(wǎng)技術(shù)的兼容?；谄胀ㄒ蕴W(wǎng)技術(shù)的各種網(wǎng)絡服務功能，如SNMP、HTML等，也同樣可以在PROFINET上運行。用戶在獲得高性能的實時網(wǎng)絡的同時，還可以享受以太網(wǎng)技術(shù)和IT技術(shù)帶來的便利。

由于實時數(shù)據(jù)在確定的時刻以確定的順序發(fā)送，因此，在交換機中建立一個時間表格，通過該時間表格，交換機就可以知道在什么時間來傳送實時信息，信息的轉(zhuǎn)發(fā)幾乎沒有延時。如果有發(fā)生沖突的危險，標準的TCP/IP信息就暫時保存在交換機中，在下個開放通訊周期再發(fā)送。通過使用這種機制，很好的保證了系統(tǒng)響應時間。例如：使用PROFINET構(gòu)建的實時通訊網(wǎng)絡可以在1ms的時間周期內(nèi)，實現(xiàn)對100多個軸的控制，其抖動誤差小于1μs，很好的滿足了運動控制對通訊實時性的要求。

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

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)廣泛應用)。它是利用帶傳輸技術(shù)，基于IEEE802.3利用CSMA/CD介質(zhì)訪問方法的單元級和控制級傳輸網(wǎng)絡。在西門子工業(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連接常用于端對端的連接。一個數(shù)據(jù)終端設備(DTE)直接連接到網(wǎng)絡連接元件端口，而該設備負責將信號進行放大和轉(zhuǎn)發(fā)。在SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)中，這些網(wǎng)絡連接元件有OLM(光學鏈接模板)ELM(電氣連接模板)OSM(光學交換機模板)和ESM(電氣交換機模板)。DTE與連接元件之間通過TP或ITP電纜連接。

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

SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡部件包括工業(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ITP接口和二個BFOC接口。ITP接口可以連接三個終端設備和網(wǎng)段，BFOC接口可以連接二個光路設備(如OLM等)，速度為10Mbit/s。ELM(電氣鏈路模塊)有3個ITP接口和一個AUI接口。通過AUI接口可以將網(wǎng)絡設備連接到LAN上，速度為10Mbit/s。在普通OSM上，電氣接口(TP/ITP)都是10/100 Mbit/s自適應的且線序自適應。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OSM之間的最遠距離為3km。在同一個網(wǎng)段上最多可以連接50個OSM，則擴展距離為150km。同時它還有地址學習，地址刪除，設置傳輸波特率(10或100 Mbit/s)及自適應功能，簡化了網(wǎng)絡配置和增強了網(wǎng)絡擴展能力。此外，根據(jù)IEEE802.1Q標準，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)標簽。它將數(shù)據(jù)分配為由低到高(0-7)的優(yōu)先權(quán)級別，對于沒有目的地址的數(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)的拓撲結(jié)構(gòu)

3.5.1 總線型拓撲結(jié)構(gòu)

在OLM或ELM的總線拓撲結(jié)構(gòu)中，DTE設備可以通過ITP電纜及接口連接在OLM或ELM上。每個OLM或ELM有三個ITP接口。OLM之間可以通過光纜進行連接，最多可以級聯(lián)11個。而在ELM之間可以通過ITP XP標準電纜進行連接，最多可以級聯(lián)13個。ESM可以通過TP/ITP電纜相連組成總型網(wǎng)絡。任何一個端口都可以做為級聯(lián)的端口使用。二個ESM之間的距離不能超過100m，整個網(wǎng)絡最多可以連接50個ESM。

3.5.2 環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)

OLM可以通過光纜將總線型網(wǎng)絡首尾相連，從而構(gòu)成環(huán)行網(wǎng)絡。整個網(wǎng)絡上最多可以級聯(lián)11個OLM，與總線型網(wǎng)絡相比冗余環(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)拓撲結(jié)構(gòu)，它們具有網(wǎng)絡冗余管理功能。它們通過DIP開關(guān)可以設置網(wǎng)絡中的任何一個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)的光纜級連接口。做為冗余管理器的OSM監(jiān)測7，8口的狀態(tài)，一旦檢測到網(wǎng)絡中斷，將重新構(gòu)建整個網(wǎng)絡，將網(wǎng)絡切換到備份的通道上，保證數(shù)據(jù)交換不會中斷。網(wǎng)絡重構(gòu)時間小于0.3S。