Posted on 2010-12-16 10:53
幻海藍(lán)夢 閱讀(269)
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通信產(chǎn)品--相關(guān)知識
工業(yè)通訊的設(shè)定
下列內(nèi)容將介紹快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的背景和如何工作，未來的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將離不開快速以太網(wǎng)和交換技術(shù)：
快速以太網(wǎng)之所以得到成功的原因在上面的內(nèi)容已經(jīng)介紹，它跟10Mbps的以太網(wǎng)相比有很多相似之處，也正是在以太網(wǎng)一步一步拓展的基礎(chǔ)上誕生的，而沒有更多新生的，完全不一樣的技術(shù)。成本和費用在100Mbps技術(shù)中也得到了理想的控制。
網(wǎng)絡(luò)分段
網(wǎng)絡(luò)之所以可以工作的重要因素在于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)段。一個網(wǎng)絡(luò)可以被分為不同的網(wǎng)絡(luò)段，各個網(wǎng)絡(luò)段與交換機連接。如果需要的話，每個終端設(shè)備也可以直接與交換機相連。SIMATIC NET交換機（比如ESM—電氣交換模塊）可以將10Mbps的網(wǎng)絡(luò)段與100Mbps的網(wǎng)絡(luò)段連接為一體。
使用ESM對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分段：
交換機可以連接不同速率的網(wǎng)絡(luò)段，也可以同時處理多路數(shù)據(jù)包。
獨立網(wǎng)絡(luò)
ESM可以將每個節(jié)點單獨連接起來，每個節(jié)點單獨工作。
ESM的功能類似一個多路復(fù)用器：
100Mbps總線型拓?fù)滏溌?/span>
100Mbps技術(shù)的使用起初是為了在網(wǎng)絡(luò)中建立快速鏈路。當(dāng)然，現(xiàn)存的10Mbps終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)元件依然可以建立快速鏈路，它們沒有什么大的區(qū)別。但如果需要的話，可以將這些設(shè)備直接接入到100Mbps的網(wǎng)絡(luò)中。
SIMATIC NET提供了OSM（光電交換模塊）和ESM（電氣交換模塊）。這意味著用戶可以通過光纖或雙絞線來配置高性能的100Mbps網(wǎng)絡(luò)的鏈路。
OSM是一種網(wǎng)絡(luò)元件，帶有2個100Mbps光纖接口和6個10/100Mbps接口。工業(yè)雙絞線（D型口）和雙絞線（RJ45）也可與OSM一起使用。100Mbps鏈路通過光纖口配置而成。終端設(shè)備或現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)段（比如來自OLM的工業(yè)以太網(wǎng)）能夠連接到10/100Mbps的接口上。數(shù)據(jù)傳輸速率可以根據(jù)所連接的各裝置的容量而自動調(diào)節(jié)。
總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中用100Mbps光纖構(gòu)建的鏈路：
ESM是一種全電氣化的網(wǎng)絡(luò)元件，帶有8個10/100Mbps接口。工業(yè)雙絞線（D型口）和雙絞線（RJ45）也可與ESM一起使用。10Mbps鏈路通過2個雙絞線接口配置而成。終端設(shè)備或現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)段（比如來自OLM的工業(yè)以太網(wǎng)）能夠連接到10/100Mbps的接口上。
總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中用100Mbps雙絞線構(gòu)建的鏈路：
新式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計
傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比如總線型或星型，它們通訊的基本需求在工業(yè)環(huán)境下不能完全滿足。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，不能讓任何干擾影響到生產(chǎn)系統(tǒng)或控制系統(tǒng)。生產(chǎn)的中斷直接帶來巨大的成本支出。因此，我們需要有一種可以監(jiān)測故障，保證通訊可靠性的冗余網(wǎng)絡(luò)。SIMATIC NET網(wǎng)絡(luò)元件中的光電交換模塊（OSM）和電氣交換模塊（ESM）滿足上述要求，并且提供了各種可能性來配置一個冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
帶有交換機的環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)
SIMATIC NET的OSM和ESM在1999年2月投入市場，它們第一次使配置100Mbps帶
有冗余環(huán)的以太網(wǎng)成為可能。冗余環(huán)包含了多路復(fù)用技術(shù)的優(yōu)點。環(huán)狀結(jié)構(gòu)可以用很低的成本，盡可能大的擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的范圍，只需要多加一根電纜，就可以擴(kuò)展網(wǎng)
絡(luò)。此外，環(huán)型結(jié)構(gòu)—與總線結(jié)構(gòu)相比—在一定情況下可以管理兩個同時發(fā)生的故障。用光纖構(gòu)建的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)還具備光纖所特有的EMC特性。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于OSM和ESM的產(chǎn)生而變得非常容易實現(xiàn)。因此，ORM憑借能夠快速配置冗余而具有很大需求，該功能在新的工業(yè)以太網(wǎng)交換機中幾乎全部被采用。環(huán)型冗余管理器通過DIP開關(guān)可以在模塊中激活。
由光纖構(gòu)建的環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)的交換網(wǎng)絡(luò)：
帶有OSM和ESM的快速冗余
在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，生成樹協(xié)議并不十分適合，因為生成樹原則需要很長響應(yīng)時間。因此一個SIMATIC NET交換機創(chuàng)造了一種新的配置過程，該過程可以產(chǎn)生非常快的冗余。 在OSM或ESM中的冗余通過RM或環(huán)被控制。它保證在由50個OSMs或ESMs組成的環(huán)結(jié)構(gòu)中，由于故障而需要重新配置網(wǎng)絡(luò)的時間小于0.3秒。
這種技術(shù)可以不用更換現(xiàn)有的各種應(yīng)用軟件。這是非常重要的一點，特別是在工業(yè)通訊中！在工業(yè)中，自動化任務(wù)的工作很少采用無線方式通訊，在不同的自動化系統(tǒng)中通常都是有線方式進(jìn)行邏輯連接，這就要時刻對這些設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。
快速冗余技術(shù)保證這些邏輯連接不會被中斷，通訊也不會癱瘓。
大型網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展
在兩個OSM之間，如果使用多模光纖，最長距離可以達(dá)到3000m。在包含50個OSM的環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)中，可以延長到150km。
當(dāng)使用新型OSM-LDs（LD代表long distance）和單模光纖時，兩個模塊間的距離甚至可以達(dá)到40km。這就意味著包含50個OSM-LD的環(huán)型冗余結(jié)構(gòu)，延展距離為2000km。
環(huán)型結(jié)構(gòu)的等級
在實際應(yīng)用中，有時不需要整個網(wǎng)絡(luò)的全部裝置都參與工作，可能只需一部分元件執(zhí)行命令。網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以按照需要而分成一個個子網(wǎng)。使用OSM，ESM和OLM這些工業(yè)以太網(wǎng)元件，就可以將網(wǎng)絡(luò)分隔成不同結(jié)構(gòu)的子網(wǎng)。
環(huán)型冗余或網(wǎng)段可以用OSM和ESM進(jìn)行分隔。同樣，在一個環(huán)型中的兩個OSM或ESM通過后備接口可以進(jìn)行冗余連接。在環(huán)型冗余連接中，一方為主動方，剩下的連接為后備方。兩個模塊為了交換狀態(tài)信息也相互連接。如果在主動方出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會在0.3秒內(nèi)自動將網(wǎng)絡(luò)連接切換至后備方連接。
環(huán)型結(jié)構(gòu)的等級：
這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在主環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中，產(chǎn)生了子環(huán)型網(wǎng)。
互聯(lián)協(xié)議TCP/IP
TCP/IP表示兩種不同的協(xié)議。IP協(xié)議（Internet Protocol）是一種基于Internet的協(xié)議。IP協(xié)議實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)包在Internet中不同網(wǎng)絡(luò)間的傳輸。TCP協(xié)議（Transmission Control Protocol）基于IP協(xié)議，起協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔谩?/span>Internet連接著各種網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)并非一定是以太網(wǎng)絡(luò)。為了能夠從各網(wǎng)絡(luò)中提取出數(shù)據(jù)，IP協(xié)議成為通訊中的基礎(chǔ)。因此，要具有下列特性：
·能夠獲得所有網(wǎng)絡(luò)的地址
·能夠在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)傳送數(shù)據(jù)包
尋址
為了清楚的分辨出Internet中的所有參與者，IP協(xié)議定義了一種尋址方式，這種方式的優(yōu)先級高于以太網(wǎng)的MAC尋址方式，被稱為IP地址。它包含了32個位，這些位由點號被分配成4個相互獨立的字節(jié)（比如 139.6.138.20）。大部分的IP地址都是開放的。這些地址從中央機構(gòu)發(fā)布至互聯(lián)網(wǎng)的參與者或大型企業(yè)中。除了開放的地址，還有一部分地址是私人的，并不公開發(fā)放。
私人IP地址 10.0.0.1 - 10.255.255.254
172.16.0.1 - 172.31.255.254
192.168.0.1 - 192.168.255.254
這些私人IP地址用于為網(wǎng)絡(luò)參與者建立局域網(wǎng)。由于這些地址在全球被反復(fù)使用，所以他們不能在Internet中被分配，并且路由器也不法讀取這些地址。當(dāng)以太網(wǎng)卡的MAC地址隨機被分配時，IP地址也根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)浞绞奖环峙洹Ｒ虼耍?/span>IP地址可以分為兩部分：
IP地址包括網(wǎng)絡(luò)地址和節(jié)點地址，分別是兩高位字節(jié)和兩低位字節(jié)，一個以太網(wǎng)內(nèi)部的所有裝置都有相同的網(wǎng)絡(luò)地址，他們都是同一網(wǎng)絡(luò)的參與者。
子網(wǎng)掩碼可以確定網(wǎng)絡(luò)上的主機是否在同一網(wǎng)絡(luò)段內(nèi)。和IP地址一樣，子網(wǎng)掩碼也包含32個位，4個字節(jié)。在同一網(wǎng)段內(nèi)，不同IP地址的子網(wǎng)掩碼的相應(yīng)的位全部為1。子網(wǎng)掩碼原理參見下圖：
根據(jù)Internet的另一種協(xié)議，根據(jù)MAC地址而產(chǎn)生的不同的IP地址分為不同的類，該協(xié)議為ARP協(xié)議（Address Resolution Protocal）。比如，如果網(wǎng)絡(luò)參與者想發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的另一個參與者，但它并不知道接受方的MAC地址，為了找到這個地址，一個特殊的數(shù)據(jù)包會發(fā)送給局域網(wǎng)內(nèi)的每一個參與者。當(dāng)真正的接受方感知到這個數(shù)據(jù)包后，發(fā)送方根據(jù)對方的IP地址確定可以將數(shù)據(jù)發(fā)送。
IP通訊
雖然網(wǎng)絡(luò)中每個參與者都具有一個特定的IP地址，但是互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，當(dāng)兩個參與者傳送數(shù)據(jù)時，它不可能每個參與者哪條路徑才是最佳選擇。因此，就要有一種特殊的路徑選擇技術(shù)。所以，每個參與者必須知道自己的臨近參與者的地址，以確定發(fā)送數(shù)據(jù)時如何選擇最佳路徑。
比如，如果參與者A2想法送數(shù)據(jù)給B1（見下圖），A2起初并不知道如何將數(shù)據(jù)送至B1。但是，通過比較B1的和自己的IP地址，A2可以確定對方并不是和自己同處于網(wǎng)絡(luò)段A內(nèi)。
A2所在網(wǎng)段內(nèi)的路由器（在Windows操作系統(tǒng)中也被稱為網(wǎng)關(guān)）具有一個IP地址和子網(wǎng)掩碼。該路由器的地址就是圖中的Router A。
由于A2已經(jīng)認(rèn)識到數(shù)據(jù)接受方在其它網(wǎng)絡(luò)段中，所以必須通過路由器A來傳輸數(shù)據(jù)。
路由器A可能并不知道B1的地址，但是它知道B1網(wǎng)段內(nèi)路由器的地址。最終，數(shù)據(jù)包將傳送給路由器B。而路由器B知道B1的地址，并將數(shù)據(jù)包傳送到B1。
TCP協(xié)議
現(xiàn)在，發(fā)送方希望發(fā)送的數(shù)據(jù)包已經(jīng)通過IP協(xié)議送給了接受方，即使兩者在不同的網(wǎng)段內(nèi)。然而，如果數(shù)據(jù)包不得不被分成多個更小的數(shù)據(jù)包（比如一個大文件分成有順序的多個小文件），這時IP協(xié)議就不能保證所有的數(shù)據(jù)都可以按順序傳送給接受方。但是，優(yōu)先級高于IP協(xié)議的TCP協(xié)議可以按照特定的傳送方式將數(shù)據(jù)安全地發(fā)送給對方。
TCP協(xié)議在發(fā)送第一個數(shù)據(jù)包前，首先向接受方發(fā)送一個特定的命令，在發(fā)送方和接受方之間建立一個通訊連接。然后，陸續(xù)傳送真實數(shù)據(jù)。當(dāng)所有的數(shù)據(jù)傳送完畢后，連接根據(jù)命令而自動解除。這就保證數(shù)據(jù)包可以按照特定順序陸續(xù)傳送。
TCP協(xié)議的另一功能是可以在兩個網(wǎng)絡(luò)參與者間同時建立多個連接。因此，要定義特定的“端口”，端口可以對不同的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類。這些端口包含16位的值，介于0和65535之間。
下圖為一些常用端口地址和它們的功能：
完整的清單有IANA提供（www.iana.org）。
Client-Server（用戶-服務(wù)器）結(jié)構(gòu)
到此，本講義中的所有通訊參與者無論在網(wǎng)絡(luò)段還是互聯(lián)網(wǎng)中，都被假設(shè)為處于平等地位。實際上，這些參與者通常被分為數(shù)據(jù)提供（發(fā)送）系統(tǒng)和數(shù)據(jù)請求（接收）系統(tǒng)。這也是為什么這些系統(tǒng)被稱為服務(wù)器和用戶機。
防火墻
在上一章中，已經(jīng)解釋過數(shù)據(jù)如果通過服務(wù)器傳送給用戶。但是，現(xiàn)實中的通訊不會像理想中這樣簡單，可能會有某些外界的數(shù)據(jù)闖進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中，為了保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全，不受外界信息干擾，我們要介紹下一個名詞，防火墻。防火墻就是一個路由器，該路由器裝有網(wǎng)絡(luò)過濾器，也被稱為數(shù)據(jù)包-過濾防火墻。這些特殊的路由器不僅能傳送數(shù)據(jù)包，還能依靠過濾器來檢測數(shù)據(jù)是否被破壞和侵襲。跟據(jù)檢測結(jié)果，路由器再決定是否對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，拒絕或丟棄。
下圖說明了防火墻如何在局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)之間，對通訊參與者的活動進(jìn)行控制。
除了要知道目標(biāo)IP地址，防火墻還要了解更多的信息，比如源IP地址或端口號。
自動化領(lǐng)域的IT
TCP/IP通訊協(xié)議已經(jīng)成為開放的，廣域的通訊標(biāo)準(zhǔn)。自動化要求具有更高層的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，且不需要再使用網(wǎng)關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)路由器起到連接作用。執(zhí)行性更好的通訊結(jié)構(gòu)使用了最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在自動化領(lǐng)域，這些信息技術(shù)（IT）已經(jīng)廣泛使用。
IT在自動化中的應(yīng)用：
通訊處理器CP 443-1 IT 用于SIMATIC S7-400，CP 343-1 IT用于SIMATIC S7-300，同時它們具有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和電子郵件功能。使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器（比如Netscape或Internet Explore），用戶可以很容易地獲得自動化系統(tǒng)中的各項信息。在電子郵件功能的幫助下，PLC能夠發(fā)送任何一個信息給其他的站點，比如本地PC或移動電話.新型OSM和ESM網(wǎng)絡(luò)元件，也具有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和電子郵件的功能。
IT在自動化領(lǐng)域基于新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，比以前的技術(shù)有很大提高。比如，視頻裝置提供影像信息，而且可以直接與交換機接口相連，這些信息通過這些裝置訪問控制層，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。
自動化領(lǐng)域中的信息技術(shù)和多媒體技術(shù)：
通訊領(lǐng)域中的快速以太網(wǎng)
正在廣泛使用的以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)已經(jīng)被現(xiàn)場基金會列為H2總線名單范圍。但是，現(xiàn)存的H1現(xiàn)場總線，雖然傳輸率只有31.25kbps，但它們依然可以與快速以太網(wǎng)連接。而且，現(xiàn)場設(shè)備可以直接連接到快速以太網(wǎng)中。為了將每一個現(xiàn)場裝置連接在一起，現(xiàn)存的H1現(xiàn)場總線也將融入到以太網(wǎng)中。PROFIBUS同樣將實現(xiàn)與以太網(wǎng)的連接。PROFIBUS和以太網(wǎng)的特點就是高速通訊，所以它們非常適合與IT結(jié)合，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。
將現(xiàn)有的PROFIBUS網(wǎng)段與更高層的以太網(wǎng)連接，首先要創(chuàng)建它們之間的訪問協(xié)議，再通過專用的路由器將兩種網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來。
PROFIBUS和以太網(wǎng)的連接：
快速以太網(wǎng)的未來
SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，滿足最有化網(wǎng)絡(luò)通訊的要求。工業(yè)以太網(wǎng)在未來的15年內(nèi)都被認(rèn)為是工業(yè)數(shù)據(jù)通訊的潮流。
交換技術(shù)和100Mbps技術(shù)已經(jīng)投入到市場。在未來，工業(yè)以太網(wǎng)將促進(jìn)工業(yè)通訊技術(shù)和IT在自動化領(lǐng)域的發(fā)展。
我們可以做出以下預(yù)見：
·以太網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)場部門的使用
·千兆級以太網(wǎng)與IT通訊
工業(yè)以太網(wǎng)無論在現(xiàn)在還是在未來，都能夠滿足用戶實現(xiàn)工業(yè)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)通訊的要求。未來，以太網(wǎng)技術(shù)將會更加優(yōu)越，且更具經(jīng)濟(jì)性。