西門子存儲卡6ES7953-8LG30-0AA0

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

1、越來越多的傳感器被用來監控、設備的健康狀態和生產的各類參數，這些工業大數據的有效采集，迫使PLC的I/O由集中安裝在機架上，轉型為分布式I/O。

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

3、應用編程的平臺化，進一步發展工程設計的自動化和智能化。

4、大幅無縫連通能力，相關的控制參數和設備的狀態可直接傳輸至的各個和應用，甚至送往云端。

概括而言，即工業大數據采集的需求，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作為工業控制主力軍的地位會不會因為正在掀起的第四次工業而被逐步替代呢?回答是否定的。同時，這也取決于PLC軟硬件技術能否快速的進行適應性的轉型和升級。事實上，PLC的技術以PLCopen為先導，一直在為工業4.0和智能制造日益清晰的要求做。圖1所表述的是PLCopen歷年來所的各種規范在工業4.0參考架構模型(RAMI4.0)相應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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冗余環網，各臺交換機通過冗余環口依次進行連接，如下圖高速冗余環網HSR。SCALANCE X400可以作為冗余管理器RM，管理冗余環網，為了保證系統的快速重構和穩定性多50個交換機連接在環上。除了其它交換機需要設置冗余環口，在網絡正常的情況下，RM的其中的一個冗余環口會處于斷開狀態。這樣整個網絡處于一種線型結構。冗余管理器監控網絡狀態，當網絡上的連接線斷開或交換機故障，它會通過一個替代路徑恢復另外一種線型結構。整個網絡的重構時間小于0.3秒。如果問題被消除，會恢復原有的線型結構。在一個環網中，只能存在一個交換機組成冗余管理器。環網可以是電氣環網也可以是光纖環網，也可以是電氣和管線混合的環網。另外，可以利用SCALANCE X 400的千兆端口，組成高速冗余的千兆環網。

高速冗余環網HSR                                          環間熱備STBY

環網之間的冗余備份STBY，通過兩臺交換機各自連接到另外一個環網的兩臺交換機，如上圖環間熱備STBY。僅需要在同一個環網中的兩個交換機A和B（與另外一個環網進行冗余連接）進行組態，即可完成環網之間的連接冗余。這兩個交換機A和B通過網絡相互交換數據來同步它們的運行狀態，其中一臺設備作為Master，另外一臺設備作為Slave。在網絡正常的情況下，僅是Master與另外一個環網的連接是激活的，即通訊數據通過該連接完成兩個環網之間的通訊。如果Master的連接斷開或Master交換機故障，這時Salve會激活其連接，這時兩個環網之間的數據就通過Slave的連接來完成。如果故障恢復，Master會重新作為環網之間的激活連接。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，組成千兆環網冗余熱備。

SCALANCE X 400冗余環網組態：

SCALANCE X 400環網間熱備組態：

PROFINET循環的實時通信報文基于IEEE802.3，具有4個字節的VLAN標簽（IEEE802.1p），該標簽其中的3個位可以表示PROFINET實時數據的優先級，參考圖1 PROFINET實時報文。

圖1 PROFINET實時報文

PROFINET循環的實時數據報文具有優先級，且用戶優先級為6。VLAN標示符VID=0表示報文僅包含優先級信息，而不是一個有效地VLAN標識。
報文具有“用戶優先級”符合IEEE802.1p標準，IEEE802.1p具有如下特點：
支持IEEE802.1p的交換機會優先轉發高優先級的數據，IEEE802.1p標準

• 通過在OSI 2層給數據加入優先級以及交換機中的不同隊列分配，實現加速報文轉發。
• TCI中包含表示服務種類(Class of Service)的3個位，這樣CoS服務就有8個優先級，其中0為低優先級，而7為高優先級。
• 不同的應用按照不同的方式進行處理
• 賦予實時應用更高的優先級
• 賦予普通的應用較低的優先級
  這樣在IEEE802.1p的支持下，用戶終端主機能請求所提交流量的優先等級，網絡設備則在幀頭上設置相應的標記予以實施。802.1p可以將以太網中的流量分為8個優先等級，將時間敏感的視頻/音頻以較高的優先級在交換式以太網中傳送，以支持以太網上各類業務的QoS。參考表1 。

表1

目前，許多以太網交換機都能夠支持多優先級業務的分類處理，即支持IEEE802.1p，根據數據幀中的“用戶優先級”字段內容的不同進行緩存、數據轉發等操作。理想情況下，以太網交換機能支持的優先級與802.1p規定的優先級相同，但實際情況有時并非如此。
西門子的SCALANCE X以太網交換機產品中，X-00系列具有兩個優先級堆棧，高的優先級堆棧處理具有用戶優先級4，5，6，7的數據，低的優先級堆棧處理具有用戶優先級3，0，1的數據。對于SCALANCE X100系列到SCALANCE X400系列所支持的優先級與IEEE802.1p所規定的優先級相同。具有4個優先級堆棧，每個堆棧處理不同用戶優先等級的數據，參考圖2 SCALANCE X交換機優先級堆棧。SCALANCE X以太網交換機會根據數據的用戶優先級的不同由內部不同的優先級堆棧來處理。這也表明SCALANCE X100系列到SCALANCE X400系列的產品可以細分用戶優先級的數據，對于用戶優先級6，7由高優先級堆棧處理優先轉發。

圖2 SCALANCE X交換機優先級堆棧

SCALANCE X以太網交換機會優先對高優先級的堆棧中的高優先級數據進行轉發。參考圖3 IEEE802.1p報文優先轉發原則。幀1正在被發送，表明不會中斷正在發起的數據傳輸。幀2的優先級低于幀3，所以優先轉發幀3。終端口1的數據幀發送順序為幀1，幀3，幀2。

圖3 IEEE802.1p報文優先轉發原則

除此以外，X200系列以上的SCALANCE X交換機不但可以在Step7中作為IO設備進行組態，也可以在Step7中實現集成診斷。參考圖4 交換機組態。

圖4 交換機組態

在使用SCALANCE X300和SCALANCE X400系列的交換機應用在PROFINET實時應用中，由于這兩種系列的交換機不但支持IEEE802.1p還支持IEEE802.1Q，即VLAN。那么這兩類以太網交換機則認為VLAN ID=0的幀不帶有VLAN標簽。這意味著PROFINET實時報文（VID=0）在這兩類交換機之中轉發不具有優先級，與普通的數據一樣，不會被交換機優先轉發。所以在使用這兩類交換機時，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，這樣由于這些系列的交換機不支持IEEE802.1Q，僅支持IEEE802.1p，所以會優先轉發PROFINET實時數據。
第二種情況，如果使用SCALANCE X300/400時，且PROFINET實時數據與普通數據在一個通道上進行傳輸，需要給PROFINET的數據傳輸通道設置VLAN。例如圖5 組態舉例。PROFINET IO控制器和IO設備的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，交換機會認為PROFINET 實時數據與普通的TCP/IP數據的優先級一樣，這樣不會優先轉發PROFINET實時數據。