工业以太网简介

工业以太网（Industrial Ethernet，IE）是遵循国际标准IEEE 802.3的开放式、多供应商、高性能的区域和单元网络。工业以太网已经广泛地应用于控制网络的最高层，并且越来越多地在控制网络的中间层和底层（现场设备层）使用。

西门子的工控产品已经全面地“以太网化”，S7-300/400的各级CPU和新一代变频器SINAMICS的G120系列、S120系列都有集成了PROFINET以太网接口的产品。新一代小型PLC S7-1200、S7-200 SMART、大中型PLC S7-1500、新一代人机界面精智系列、精简系列和精彩系列面板都有集成的以太网接口。分布式I/OET 200SP、ET 200S、ET 200MP、ET 200M、ET 200Pro、ET 200eco PN和ET 200AL都有PROFINET通信模块或集成的PROFINET通信接口。

工业以太网采用TCP/IP协议，可以将自动化系统连接到企业内部互联网（Intranet）、外部互联网（Extranet）和因特网（Internet），实现远程数据交换。可以实现管理网络与控制网络的数据共享。通过交换技术可以提供实际上没有限制的通信性能。

1.SIMATIC工业以太网的特点

1）10M/100Mbit/s自适应传输速率，最多1024个网络节点，网络最大范围为150km。

2）可以用于严酷的工业现场环境，用标准导轨安装，抗干扰能力强。能方便地组成各种网络拓扑结构，可以采用冗余的网络拓扑结构。

3）可以通过以太网将自动化系统连接到办公网络和国际互联网（Internet），实现全球性的远程通信。用户可以在办公室访问生产数据，实现管理-控制网络的一体化。不需要专用的软件，可以用IE浏览器访问控制终端的数据。

4）在交换式局域网中，用交换模块将一个网络分成若干个网段，可以实现在不同的网段中的并行通信。本地数据通信在本网段进行，只有指定的数据包可以超出本地网段的范围。如果使用全双工的交换机，两个节点之间可以同时收、发数据，数据传输速率增加到200Mbit/s，可以完全消除冲突。

5）冗余系统中如果出现子系统故障或网络断线，交换模块将通信切换到冗余的后备系统或后备网络，以保证系统的正常运行。工业以太网发生故障后，可以迅速发现故障，实现故障的定位和诊断。网络发生故障时（例如断线或交换机故障），网络的重构时间小于0.3s。

2.SIMATIC工业以太网的组成

典型的工业以太网由以下网络器件组成：

1）连接部件：包括FC快速连接插座、SCALANCE交换机、电气链接模块（ELM）、电气交换模块（ESM）、光纤交换模块（OSM）、光纤电气转换模块（MC TP11）、中继器和IE/PB链接器。IWLAN/PB链接器用于将工业以太网无线耦合到DP网络。

2）通信媒体可以采用直通或交叉连接的TP电缆、快速连接双绞线FCTP、工业双绞线ITP、光纤和无线通信。

3）S7-1500 CPU集成的第一个以太网接口（X1口）可以作PROFINETIO控制器和IO设备，支持S7通信、开放式用户通信、Web服务器和介质冗余。X1口作IO控制器支持等时同步、RT、IRT、MRP、PROFIenergy和优先化启动。

S7-1500CPU集成的以太网接口（X2口和X3口）支持S7通信、开放式用户通信和Web服务器，还支持MODBUS TCP协议。

4）S7-1500的PROFINET模块为CP 1542-1，以太网模块为CP 1543-1，它们的主要参数见1.2.4节。

5）PG/PC可选下述的工业以太网通信处理器：用于PCI总线的CP 1612 A2和CP 1613 A2，用于PCIe总线的CP 1623和CP 1628。CP 1613 A2和CP 1623可用于冗余系统。

对快速性和冗余控制有特殊要求的系统应使用西门子的交换机和网卡，反之可以使用普通的交换机、路由器和普通的网卡。

3.TP电缆与RJ-45连接器(https://www.xing528.com)

西门子的工业以太网可以采用双绞线、光纤和无线方式进行通信。

TPCord电缆是8芯的屏蔽双绞线，直通连接电缆两端的RJ-45连接器采用相同的线序，用于PC、PLC等设备与交换机（或集线器）之间的连接。交叉连接电缆两端的RJ-45连接器采用不同的线序，用于直接连接两台设备（例如PC和PLC）的以太网接口。

西门子交换机采用自适应技术，可以自动检测线序，连接西门子交换机时可以采用上述的任意一种连接方式。

4.快速连接双绞线

工业以太网快速连接双绞线IEFCTP（Industry Ethernet Fast Connection Twist Pair）是一种4芯电缆，它配合西门子F CTP RJ45接头使用。使用专用的剥线工具，一次就可以剥去电缆外包层和编织的屏蔽层，连接长度可达100m。

通过导线和IEFCRJ45接头上的透明接点盖上的彩色标记，可以避免接线错误（见图6-3）。将双绞线按接头上标记的颜色插入连接孔，可以快速、方便地将数据终端设备（DTE）连接到以太网上。

使用FC双绞线，从DTE到DTE、DTE到交换机、交换机之间的通信距离最长为1000m。也可以使用西门子有预装的RJ45接头的TP CORE电缆，但是没有屏蔽，保证数据可靠传输的最长通信距离为10m。

图6-3 快速连接电缆与TP RJ45接头

5.工业双绞线ITP

使用预装有9针或15针Sub-D接头的工业双绞线ITP（Industry Twist Pair）标准电缆，可以连接某些通信处理器（CP）的ITP接口，进行牢固的连接，适合于现场恶劣的环境，最长传输距离为100m。ITP电缆已逐渐被IE FC TP电缆代替。

6.光纤

光纤（FOC）通过光学频率范围内的电磁波，沿光缆无辐射传输数据，不受外部电磁场的干扰，没有接地问题，重量轻、容易安装。光缆的传导芯是一种低衰减的光学透明材料，包裹在一层保护套内。即使线缆被弯曲，光束也能在芯体和周围材料之间，通过完全反射来传输。有两种不同类型的光缆，标准玻璃光缆可以在室内和室外使用；拖拽式玻璃光缆还可以用于需要移动的应用场合。

7.中继器和集线器

中继器又称为转发器，用来增加网络的长度。中继器仅工作在物理层，对同一协议的相同或不相同的传输介质之间的信号进行中继放大和整形。共享式集线器（Hub）是多端口的中继器。它们将接收到的信号进行整形和中继，不加区别地广播输出，传送给所有连接到中继器或集线器的站点。它们不对接收到的报文进行过滤和负载隔离，不会干扰通信，不能解决以太网的冲突问题。它们只能在一个冲突域内使用。

8.交换机

交换机是工作在物理层和数据链路层的智能设备。工业以太网采用星形网络拓扑结构，用交换机将网络划分为若干个网段，交换机之间通过主干网络进行连接。交换机可以对报文进行存储、过滤和转发，有一定的自学习能力，自动记录端口所有设备的MAC地址。在一个完整的交换网络中，整个网络只有交换机和通信节点，没有集线器。节点之间的数据通过交换机转发。单个站出现故障时，仍然可以进行数据交换。