西門子存儲卡6ES7953-8LG30-0AA0

PLC作為設(shè)備和裝置的控制器，除了的邏輯控制、順序控制、運動控制、控制功能之外，還承擔(dān)著工業(yè)4.0和智能制造賦予的以下任務(wù)：

1、越來越多的傳感器被用來監(jiān)控、設(shè)備的健康狀態(tài)和生產(chǎn)的各類參數(shù)，這些工業(yè)大數(shù)據(jù)的有效采集，迫使PLC的I/O由集中安裝在機(jī)架上，轉(zhuǎn)型為分布式I/O。

2、各類智能部件普遍采用嵌入式PLC，或者微小型PLC，盡可能地在現(xiàn)場完成越來越復(fù)雜的控制任務(wù)。

3、應(yīng)用編程的平臺化，進(jìn)一步發(fā)展工程設(shè)計的自動化和智能化。

4、大幅無縫連通能力，相關(guān)的控制參數(shù)和設(shè)備的狀態(tài)可直接傳輸至的各個和應(yīng)用，甚至送往云端。

概括而言，即工業(yè)大數(shù)據(jù)采集的需求，就地實時自治控制，編程的自動化和智能化，無縫的連通能力。

PLC作為工業(yè)控制主力軍的地位會不會因為正在掀起的第四次工業(yè)而被逐步替代呢?回答是否定的。同時，這也取決于PLC軟硬件技術(shù)能否快速的進(jìn)行適應(yīng)性的轉(zhuǎn)型和升級。事實上，PLC的技術(shù)以PLCopen為先導(dǎo)，一直在為工業(yè)4.0和智能制造日益清晰的要求做。圖1所表述的是PLCopen歷年來所的各種規(guī)范在工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型(RAMI4.0)相應(yīng)維度和層級中的位置,可以明顯地看到，PLCopen組織長期以來為自動化效率所做的工作。

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冗余環(huán)網(wǎng)，各臺交換機(jī)通過冗余環(huán)口依次進(jìn)行連接，如下圖高速冗余環(huán)網(wǎng)HSR。SCALANCE X400可以作為冗余管理器RM，管理冗余環(huán)網(wǎng)，為了保證系統(tǒng)的快速重構(gòu)和穩(wěn)定性多50個交換機(jī)連接在環(huán)上。除了其它交換機(jī)需要設(shè)置冗余環(huán)口，在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下，RM的其中的一個冗余環(huán)口會處于斷開狀態(tài)。這樣整個網(wǎng)絡(luò)處于一種線型結(jié)構(gòu)。冗余管理器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的連接線斷開或交換機(jī)故障，它會通過一個替代路徑恢復(fù)另外一種線型結(jié)構(gòu)。整個網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)時間小于0.3秒。如果問題被消除，會恢復(fù)原有的線型結(jié)構(gòu)。在一個環(huán)網(wǎng)中，只能存在一個交換機(jī)組成冗余管理器。環(huán)網(wǎng)可以是電氣環(huán)網(wǎng)也可以是光纖環(huán)網(wǎng)，也可以是電氣和管線混合的環(huán)網(wǎng)。另外，可以利用SCALANCE X 400的千兆端口，組成高速冗余的千兆環(huán)網(wǎng)。

高速冗余環(huán)網(wǎng)HSR                                          環(huán)間熱備STBY

環(huán)網(wǎng)之間的冗余備份STBY，通過兩臺交換機(jī)各自連接到另外一個環(huán)網(wǎng)的兩臺交換機(jī)，如上圖環(huán)間熱備STBY。僅需要在同一個環(huán)網(wǎng)中的兩個交換機(jī)A和B（與另外一個環(huán)網(wǎng)進(jìn)行冗余連接）進(jìn)行組態(tài)，即可完成環(huán)網(wǎng)之間的連接冗余。這兩個交換機(jī)A和B通過網(wǎng)絡(luò)相互交換數(shù)據(jù)來同步它們的運行狀態(tài)，其中一臺設(shè)備作為Master，另外一臺設(shè)備作為Slave。在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下，僅是Master與另外一個環(huán)網(wǎng)的連接是激活的，即通訊數(shù)據(jù)通過該連接完成兩個環(huán)網(wǎng)之間的通訊。如果Master的連接斷開或Master交換機(jī)故障，這時Salve會激活其連接，這時兩個環(huán)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)就通過Slave的連接來完成。如果故障恢復(fù)，Master會重新作為環(huán)網(wǎng)之間的激活連接。STBY可以是電氣連接也可以是光纖連接。另外，可以利用
SCALANCE X 408的千兆端口，組成千兆環(huán)網(wǎng)冗余熱備。

SCALANCE X 400冗余環(huán)網(wǎng)組態(tài)：

SCALANCE X 400環(huán)網(wǎng)間熱備組態(tài)：

PROFINET循環(huán)的實時通信報文基于IEEE802.3，具有4個字節(jié)的VLAN標(biāo)簽（IEEE802.1p），該標(biāo)簽其中的3個位可以表示PROFINET實時數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，參考圖1 PROFINET實時報文。

圖1 PROFINET實時報文

PROFINET循環(huán)的實時數(shù)據(jù)報文具有優(yōu)先級，且用戶優(yōu)先級為6。VLAN標(biāo)示符VID=0表示報文僅包含優(yōu)先級信息，而不是一個有效地VLAN標(biāo)識。
報文具有“用戶優(yōu)先級”符合IEEE802.1p標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.1p具有如下特點：
支持IEEE802.1p的交換機(jī)會優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，IEEE802.1p標(biāo)準(zhǔn)

• 通過在OSI 2層給數(shù)據(jù)加入優(yōu)先級以及交換機(jī)中的不同隊列分配，實現(xiàn)加速報文轉(zhuǎn)發(fā)。
• TCI中包含表示服務(wù)種類(Class of Service)的3個位，這樣CoS服務(wù)就有8個優(yōu)先級，其中0為低優(yōu)先級，而7為高優(yōu)先級。
• 不同的應(yīng)用按照不同的方式進(jìn)行處理
• 賦予實時應(yīng)用更高的優(yōu)先級
• 賦予普通的應(yīng)用較低的優(yōu)先級
  這樣在IEEE802.1p的支持下，用戶終端主機(jī)能請求所提交流量的優(yōu)先等級，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則在幀頭上設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)記予以實施。802.1p可以將以太網(wǎng)中的流量分為8個優(yōu)先等級，將時間敏感的視頻/音頻以較高的優(yōu)先級在交換式以太網(wǎng)中傳送，以支持以太網(wǎng)上各類業(yè)務(wù)的QoS。參考表1 。

表1

目前，許多以太網(wǎng)交換機(jī)都能夠支持多優(yōu)先級業(yè)務(wù)的分類處理，即支持IEEE802.1p，根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的“用戶優(yōu)先級”字段內(nèi)容的不同進(jìn)行緩存、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等操作。理想情況下，以太網(wǎng)交換機(jī)能支持的優(yōu)先級與802.1p規(guī)定的優(yōu)先級相同，但實際情況有時并非如此。
西門子的SCALANCE X以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品中，X-00系列具有兩個優(yōu)先級堆棧，高的優(yōu)先級堆棧處理具有用戶優(yōu)先級4，5，6，7的數(shù)據(jù)，低的優(yōu)先級堆棧處理具有用戶優(yōu)先級3，0，1的數(shù)據(jù)。對于SCALANCE X100系列到SCALANCE X400系列所支持的優(yōu)先級與IEEE802.1p所規(guī)定的優(yōu)先級相同。具有4個優(yōu)先級堆棧，每個堆棧處理不同用戶優(yōu)先等級的數(shù)據(jù)，參考圖2 SCALANCE X交換機(jī)優(yōu)先級堆棧。SCALANCE X以太網(wǎng)交換機(jī)會根據(jù)數(shù)據(jù)的用戶優(yōu)先級的不同由內(nèi)部不同的優(yōu)先級堆棧來處理。這也表明SCALANCE X100系列到SCALANCE X400系列的產(chǎn)品可以細(xì)分用戶優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，對于用戶優(yōu)先級6，7由高優(yōu)先級堆棧處理優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 SCALANCE X交換機(jī)優(yōu)先級堆棧

SCALANCE X以太網(wǎng)交換機(jī)會優(yōu)先對高優(yōu)先級的堆棧中的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。參考圖3 IEEE802.1p報文優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)原則。幀1正在被發(fā)送，表明不會中斷正在發(fā)起的數(shù)據(jù)傳輸。幀2的優(yōu)先級低于幀3，所以優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)幀3。終端口1的數(shù)據(jù)幀發(fā)送順序為幀1，幀3，幀2。

圖3 IEEE802.1p報文優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)原則

除此以外，X200系列以上的SCALANCE X交換機(jī)不但可以在Step7中作為IO設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，也可以在Step7中實現(xiàn)集成診斷。參考圖4 交換機(jī)組態(tài)。

圖4 交換機(jī)組態(tài)

在使用SCALANCE X300和SCALANCE X400系列的交換機(jī)應(yīng)用在PROFINET實時應(yīng)用中，由于這兩種系列的交換機(jī)不但支持IEEE802.1p還支持IEEE802.1Q，即VLAN。那么這兩類以太網(wǎng)交換機(jī)則認(rèn)為VLAN ID=0的幀不帶有VLAN標(biāo)簽。這意味著PROFINET實時報文（VID=0）在這兩類交換機(jī)之中轉(zhuǎn)發(fā)不具有優(yōu)先級，與普通的數(shù)據(jù)一樣，不會被交換機(jī)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。所以在使用這兩類交換機(jī)時，需要特別注意，這種情況下，可以使用2種方式來改善：
種情況，就是使用SCALANCE X200系列以下的交換機(jī)，這樣由于這些系列的交換機(jī)不支持IEEE802.1Q，僅支持IEEE802.1p，所以會優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)PROFINET實時數(shù)據(jù)。
第二種情況，如果使用SCALANCE X300/400時，且PROFINET實時數(shù)據(jù)與普通數(shù)據(jù)在一個通道上進(jìn)行傳輸，需要給PROFINET的數(shù)據(jù)傳輸通道設(shè)置VLAN。例如圖5 組態(tài)舉例。PROFINET IO控制器和IO設(shè)備的PROFINET實時通信與PC1和PC2的普通通訊，例如TCP/IP，共同占用2臺SCALANCE X400之間的通道。由于SCALANCE X400支持IEEE802.1Q，交換機(jī)會認(rèn)為PROFINET 實時數(shù)據(jù)與普通的TCP/IP數(shù)據(jù)的優(yōu)先級一樣，這樣不會優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)PROFINET實時數(shù)據(jù)。