工业以太网介绍及与普通以太网区别

3.1根据响应时间的不同，PROFINET支持下列三种通讯方式：

1.TCP/IP标准通讯

PROFINET基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP是IT领域关于通信协议方面事实上的标准，尽管其响应时间大概在100ms的量级，不过，对于工厂控制级的应用来说，这个响应时间就足够了。

2.实时(RT)通讯

对于传感器和执行器设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，因此，PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层(Layer2)的实时通讯通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在通讯栈中的处理时间，PROFINET实时通讯(RT)的典型响应时间是5-10ms。

网络节点也包含在网络的同步过程之中，即交换机。同步的的交换机在PROFINET概念中占有十分重要的位置，在传统的交换机中，要传递的信息必定在交换机中延迟一段时间，直到交换机翻译出信息的目的地址并转发该信息为止。这种基于地址的信息转发机制会对数据的传送时间产生不利的影响。为了解决这个问题，PROFINET在实时通道中使用一种优化的机制来实现信息的转发。

3.等时同步实时(IRT)通讯

在现场级通讯中，对通讯实时性要求最高的是运动控制(MotionControl)，PROFINET的等时同步实时(IsochronousReal-Time,IRT)技术可以满足运动控制的高速通讯需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1μs，以此来保证及时的、确定的响应。

注：目前西门子工业以太网交换机都为实时(RT)通讯交换机，其中的200系列里面有一部分是等时同步(IRT)通讯交换机。

3.2 PROFINET的等时同步实时(IsochronousReal-Time,IRT)技术。

对于PROFINET网络，为了保证高质量的等时通讯，所有的网络节点必须很好的实现同步。这样才能保证数据在精确相等的时间间隔内被传输，网络上的所有站点必须通过精确的时钟同步以实现同步实时以太网。例如：通过规律的同步数据实现通讯循环的同步，其精度可以达到微秒级。这个同步过程可以精确的记录其所控制的系统的所有时间参数，因此能够在每个循环的开始实现非常精确的时间同步。这么高的同步水平单纯靠软件是无法实现的，想要获得这么高精度的同步实时，必须依靠网络第二层中硬件的支持，即西门子IRT等时实时ASIC芯片。

每个通讯周期被分成两个不同的部分，一个是循环的、确定的部分，称之为实时通道;另外一个是标准通道，标准的TCP/IP数据通过这个通道传输。

在实时通道中，为实时数据预留了固定循环间隔的时间窗，而实时数据总是按固定的次序插入，因此，实时数据就在固定的间隔被传送，循环周期中剩余的时间用来传递标准的TCP/IP数据。两种不同类型的数据就可以同时在PROFINET上传递，而且不会互相干扰，实现了PROFINET技术对以太网技术的兼容。基于普通以太网技术的各种网络服务功能，如SNMP、HTML等，也同样可以在PROFINET上运行。用户在获得高性能的实时网络的同时，还可以享受以太网技术和IT技术带来的便利。

由于实时数据在确定的时刻以确定的顺序发送，因此，在交换机中建立一个时间表格，通过该时间表格，交换机就可以知道在什么时间来传送实时信息，信息的转发几乎没有延时。如果有发生冲突的危险，标准的TCP/IP信息就暂时保存在交换机中，在下个开放通讯周期再发送。通过使用这种机制，很好的保证了系统响应时间。例如：使用PROFINET构建的实时通讯网络可以在1ms的时间周期内，实现对100多个轴的控制，其抖动误差小于1μs，很好的满足了运动控制对通讯实时性的要求。

3.3 SIMATIC NET工业以太网基本类型和网络硬件

SIMATIC NET工业以太网有2种类型，分别为10Mbit/s工业以太网和100Mbit/s工业以太网(现在千兆以太网已经广泛应用)。它是利用带传输技术，基于IEEE802.3利用CSMA/CD介质访问方法的单元级和控制级传输网络。在西门子工业以太网中，通常使用的的物理传输介质是屏蔽双绞线(TP)，工业屏蔽双绞线(ITP)以及光纤。TP连接常用于端对端的连接。一个数据终端设备(DTE)直接连接到网络连接元件端口，而该设备负责将信号进行放大和转发。在SIMATIC NET工业以太网中，这些网络连接元件有OLM(光学链接模板)ELM(电气连接模板)OSM(光学交换机模板)和ESM(电气交换机模板)。DTE与连接元件之间通过TP或ITP电缆连接。

3.4 SIMATIC NET工业以太网网络部件

SIMATIC NET工业以太网网络部件包括工业以太网链路模板OLM，ELM和工业以太网交换机OSM/ESM和ELS以及工业以太网链路模块OMC。其中OLM(光链路模块)有3个ITP接口和二个BFOC接口。ITP接口可以连接三个终端设备和网段，BFOC接口可以连接二个光路设备(如OLM等)，速度为10Mbit/s。ELM(电气链路模块)有3个ITP接口和一个AUI接口。通过AUI接口可以将网络设备连接到LAN上，速度为10Mbit/s。在普通OSM上，电气接口(TP/ITP)都是10/100 Mbit/s自适应的且线序自适应。光纤接口为100 Mbit/s全双工的BFOC接口，适用于多模光纤连接。二个OSM之间的最远距离为3km。在同一个网段上最多可以连接50个OSM，则扩展距离为150km。同时它还有地址学习，地址删除，设置传输波特率(10或100 Mbit/s)及自适应功能，简化了网络配置和增强了网络扩展能力。此外，根据IEEE802.1Q标准，OSM/ESM还支持VLAN(虚拟局域网)，它提供数据包的VLAN优先权标签。它将数据分配为由低到高(0-7)的优先权级别，对于没有目的地址的数据包则被视为低优先权的数据帧。

3.5 SIMATIC NET工业以太网的拓扑结构

3.5.1 总线型拓扑结构

在OLM或ELM的总线拓扑结构中，DTE设备可以通过ITP电缆及接口连接在OLM或ELM上。每个OLM或ELM有三个ITP接口。OLM之间可以通过光缆进行连接，最多可以级联11个。而在ELM之间可以通过ITP XP标准电缆进行连接，最多可以级联13个。ESM可以通过TP/ITP电缆相连组成总型网络。任何一个端口都可以做为级联的端口使用。二个ESM之间的距离不能超过100m，整个网络最多可以连接50个ESM。

3.5.2 环型拓扑结构

OLM可以通过光缆将总线型网络首尾相连，从而构成环行网络。整个网络上最多可以级联11个OLM，与总线型网络相比冗余环网增加了数据交换的可靠性。而OSM/ESM也能够构成环网拓扑结构，它们具有网络冗余管理功能。它们通过DIP开关可以设置网络中的任何一个OSM/ESM做为冗余管理器。因而可以组成冗余的环网，其中OSM/ESM上7，8口作为环网的光缆级连接口。做为冗余管理器的OSM监测7，8口的状态，一旦检测到网络中断，将重新构建整个网络，将网络切换到备份的通道上，保证数据交换不会中断。网络重构时间小于0.3S。