Posted on 2010-12-16 10:53
幻海藍夢 閱讀(269)
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工業通訊的設定
下列內容將介紹快速以太網標準的背景和如何工作，未來的工業網絡將離不開快速以太網和交換技術：
快速以太網之所以得到成功的原因在上面的內容已經介紹，它跟10Mbps的以太網相比有很多相似之處，也正是在以太網一步一步拓展的基礎上誕生的，而沒有更多新生的，完全不一樣的技術。成本和費用在100Mbps技術中也得到了理想的控制。
網絡分段
網絡之所以可以工作的重要因素在于構建網絡段。一個網絡可以被分為不同的網絡段，各個網絡段與交換機連接。如果需要的話，每個終端設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的網絡段與100Mbps的網絡段連接為一體。
使用ESM對網絡進行分段：
交換機可以連接不同速率的網絡段，也可以同時處理多路數據包。
獨立網絡
ESM可以將每個節點單獨連接起來，每個節點單獨工作。
ESM的功能類似一個多路復用器：
100Mbps總線型拓撲鏈路
100Mbps技術的使用起初是為了在網絡中建立快速鏈路。當然，現存的10Mbps終端設備和網絡元件依然可以建立快速鏈路，它們沒有什么大的區別。但如果需要的話，可以將這些設備直接接入到100Mbps的網絡中。
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網絡的鏈路。
OSM是一種網絡元件，帶有2個100Mbps光纖接口和6個10/100Mbps接口。工業雙絞線（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。終端設備或現存的網絡段（比如來自OLM的工業以太網）能夠連接到10/100Mbps的接口上。數據傳輸速率可以根據所連接的各裝置的容量而自動調節。
總線型拓撲結構中用100Mbps光纖構建的鏈路：
ESM是一種全電氣化的網絡元件，帶有8個10/100Mbps接口。工業雙絞線（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。終端設備或現存的網絡段（比如來自OLM的工業以太網）能夠連接到10/100Mbps的接口上。
總線型拓撲結構中用100Mbps雙絞線構建的鏈路：
新式網絡拓撲的設計
傳統的網絡結構比如總線型或星型，它們通訊的基本需求在工業環境下不能完全滿足。拓撲結構必須保證網絡的可靠性和安全性，不能讓任何干擾影響到生產系統或控制系統。生產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測故障，保證通訊可靠性的冗余網絡。SIMATIC NET網絡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絡拓撲結構。
帶有交換機的環型冗余結構
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
有冗余環的以太網成為可能。冗余環包含了多路復用技術的優點。環狀結構可以用很低的成本，盡可能大的擴大網絡的范圍，只需要多加一根電纜，就可以擴展網
絡。此外，環型結構—與總線結構相比—在一定情況下可以管理兩個同時發生的故障。用光纖構建的環型網絡還具備光纖所特有的EMC特性。這種網絡拓撲結構由于OSM和ESM的產生而變得非常容易實現。因此，ORM憑借能夠快速配置冗余而具有很大需求，該功能在新的工業以太網交換機中幾乎全部被采用。環型冗余管理器通過DIP開關可以在模塊中激活。
由光纖構建的環型冗余結構的交換網絡：
帶有OSM和ESM的快速冗余
在工業網絡中，生成樹協議并不十分適合，因為生成樹原則需要很長響應時間。因此一個SIMATIC NET交換機創造了一種新的配置過程，該過程可以產生非常快的冗余。 在OSM或ESM中的冗余通過RM或環被控制。它保證在由50個OSMs或ESMs組成的環結構中，由于故障而需要重新配置網絡的時間小于0.3秒。
這種技術可以不用更換現有的各種應用軟件。這是非常重要的一點，特別是在工業通訊中！在工業中，自動化任務的工作很少采用無線方式通訊，在不同的自動化系統中通常都是有線方式進行邏輯連接，這就要時刻對這些設備進行維護。
快速冗余技術保證這些邏輯連接不會被中斷，通訊也不會癱瘓。
大型網絡擴展
在兩個OSM之間，如果使用多模光纖，最長距離可以達到3000m。在包含50個OSM的環型冗余結構中，可以延長到150km。
當使用新型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到40km。這就意味著包含50個OSM-LD的環型冗余結構，延展距離為2000km。
環型結構的等級
在實際應用中，有時不需要整個網絡的全部裝置都參與工作，可能只需一部分元件執行命令。網絡的結構可以按照需要而分成一個個子網。使用OSM，ESM和OLM這些工業以太網元件，就可以將網絡分隔成不同結構的子網。
環型冗余或網段可以用OSM和ESM進行分隔。同樣，在一個環型中的兩個OSM或ESM通過后備接口可以進行冗余連接。在環型冗余連接中，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信息也相互連接。如果在主動方出現故障，系統會在0.3秒內自動將網絡連接切換至后備方連接。
環型結構的等級：
這種拓撲結構在主環型網絡中，產生了子環型網。
互聯協議TCP/IP
TCP/IP表示兩種不同的協議。IP協議（Internet Protocol）是一種基于Internet的協議。IP協議實現的是數據包在Internet中不同網絡間的傳輸。TCP協議（Transmission Control Protocol）基于IP協議，起協調數據傳輸的作用。Internet連接著各種網絡，這些網絡并非一定是以太網絡。為了能夠從各網絡中提取出數據，IP協議成為通訊中的基礎。因此，要具有下列特性：
·能夠獲得所有網絡的地址
·能夠在整個網絡范圍內傳送數據包
尋址
為了清楚的分辨出Internet中的所有參與者，IP協議定義了一種尋址方式，這種方式的優先級高于以太網的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（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發布至互聯網的參與者或大型企業中。除了開放的地址，還有一部分地址是私人的，并不公開發放。
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地址用于為網絡參與者建立局域網。由于這些地址在全球被反復使用，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。當以太網卡的MAC地址隨機被分配時，IP地址也根據網絡的邏輯拓撲方式被分配。因此，IP地址可以分為兩部分：
IP地址包括網絡地址和節點地址，分別是兩高位字節和兩低位字節，一個以太網內部的所有裝置都有相同的網絡地址，他們都是同一網絡的參與者。
子網掩碼可以確定網絡上的主機是否在同一網絡段內。和IP地址一樣，子網掩碼也包含32個位，4個字節。在同一網段內，不同IP地址的子網掩碼的相應的位全部為1。子網掩碼原理參見下圖：
根據Internet的另一種協議，根據MAC地址而產生的不同的IP地址分為不同的類，該協議為ARP協議（Address Resolution Protocal）。比如，如果網絡參與者想發送一個數據包給同一網絡內的另一個參與者，但它并不知道接受方的MAC地址，為了找到這個地址，一個特殊的數據包會發送給局域網內的每一個參與者。當真正的接受方感知到這個數據包后，發送方根據對方的IP地址確定可以將數據發送。
IP通訊
雖然網絡中每個參與者都具有一個特定的IP地址，但是互聯網的拓撲結構極其復雜，當兩個參與者傳送數據時，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。所以，每個參與者必須知道自己的臨近參與者的地址，以確定發送數據時如何選擇最佳路徑。
比如，如果參與者A2想法送數據給B1（見下圖），A2起初并不知道如何將數據送至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絡段A內。
A2所在網段內的路由器（在Windows操作系統中也被稱為網關）具有一個IP地址和子網掩碼。該路由器的地址就是圖中的Router A。
由于A2已經認識到數據接受方在其它網絡段中，所以必須通過路由器A來傳輸數據。
路由器A可能并不知道B1的地址，但是它知道B1網段內路由器的地址。最終，數據包將傳送給路由器B。而路由器B知道B1的地址，并將數據包傳送到B1。
TCP協議
現在，發送方希望發送的數據包已經通過IP協議送給了接受方，即使兩者在不同的網段內。然而，如果數據包不得不被分成多個更小的數據包（比如一個大文件分成有順序的多個小文件），這時IP協議就不能保證所有的數據都可以按順序傳送給接受方。但是，優先級高于IP協議的TCP協議可以按照特定的傳送方式將數據安全地發送給對方。
TCP協議在發送第一個數據包前，首先向接受方發送一個特定的命令，在發送方和接受方之間建立一個通訊連接。然后，陸續傳送真實數據。當所有的數據傳送完畢后，連接根據命令而自動解除。這就保證數據包可以按照特定順序陸續傳送。
TCP協議的另一功能是可以在兩個網絡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據包進行分類。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-服務器）結構
到此，本講義中的所有通訊參與者無論在網絡段還是互聯網中，都被假設為處于平等地位。實際上，這些參與者通常被分為數據提供（發送）系統和數據請求（接收）系統。這也是為什么這些系統被稱為服務器和用戶機。
防火墻
在上一章中，已經解釋過數據如果通過服務器傳送給用戶。但是，現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據闖進網絡中，為了保護網絡的安全，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，該路由器裝有網絡過濾器，也被稱為數據包-過濾防火墻。這些特殊的路由器不僅能傳送數據包，還能依靠過濾器來檢測數據是否被破壞和侵襲。跟據檢測結果，路由器再決定是否對數據進行傳輸，拒絕或丟棄。
下圖說明了防火墻如何在局域網和互聯網之間，對通訊參與者的活動進行控制。
除了要知道目標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。
自動化領域的IT
TCP/IP通訊協議已經成為開放的，廣域的通訊標準。自動化要求具有更高層的網絡標準，且不需要再使用網關。標準路由器起到連接作用。執行性更好的通訊結構使用了最新的網絡技術，在自動化領域，這些信息技術（IT）已經廣泛使用。
IT在自動化中的應用：
通訊處理器CP 443-1 IT 用于SIMATIC S7-400，CP 343-1 IT用于SIMATIC S7-300，同時它們具有網絡服務器和電子郵件功能。使用標準網絡瀏覽器（比如Netscape或Internet Explore），用戶可以很容易地獲得自動化系統中的各項信息。在電子郵件功能的幫助下，PLC能夠發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網絡元件，也具有網絡服務器和電子郵件的功能。
IT在自動化領域基于新的網絡技術，比以前的技術有很大提高。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，從而保證產品質量。
自動化領域中的信息技術和多媒體技術：
通訊領域中的快速以太網
正在廣泛使用的以太網和快速以太網已經被現場基金會列為H2總線名單范圍。但是，現存的H1現場總線，雖然傳輸率只有31.25kbps，但它們依然可以與快速以太網連接。而且，現場設備可以直接連接到快速以太網中。為了將每一個現場裝置連接在一起，現存的H1現場總線也將融入到以太網中。PROFIBUS同樣將實現與以太網的連接。PROFIBUS和以太網的特點就是高速通訊，所以它們非常適合與IT結合，實現現場數據通訊任務。
將現有的PROFIBUS網段與更高層的以太網連接，首先要創建它們之間的訪問協議，再通過專用的路由器將兩種網絡聯系起來。
PROFIBUS和以太網的連接：
快速以太網的未來
SIMATIC NET工業以太網是一種標準網絡，滿足最有化網絡通訊的要求。工業以太網在未來的15年內都被認為是工業數據通訊的潮流。
交換技術和100Mbps技術已經投入到市場。在未來，工業以太網將促進工業通訊技術和IT在自動化領域的發展。
我們可以做出以下預見：
·以太網技術在現場部門的使用
·千兆級以太網與IT通訊
工業以太網無論在現在還是在未來，都能夠滿足用戶實現工業環境下的網絡通訊的要求。未來，以太網技術將會更加優越，且更具經濟性。