工業(yè)網(wǎng)絡技術及應用PPT完整全套教學課件

工業(yè)網(wǎng)絡技術與應用全套PPT課件第一章緒論011.1工業(yè)自動化技術演進與工業(yè)通信網(wǎng)絡自動化與工業(yè)控制系統(tǒng)通常被簡稱為ICS(IndustrialControlSystems),在ISA-99/IEC62443標準中,工業(yè)控制系統(tǒng)指的是能夠對工業(yè)過程的安全性、可靠性造成影響的集合,其通常具有以下四個功能:測量1比較2計算3矯正4021.1.1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于科學技術的發(fā)展,計算機控制系統(tǒng)在經(jīng)歷了基地式氣動儀表控制系統(tǒng)(BaseTypePneumaticInstrumentControlSystem,BTPICS)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)(ElectricUnitCombinedAnalogInstrumentControlSystem,EUCAICS)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)(CentralizedDigitalControlSystem,CDCS)以及集散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem,DCS)后,將朝著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem,FCS)的方向發(fā)展?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)也被稱為現(xiàn)場底層設備控制網(wǎng)絡,是連接現(xiàn)場智能設備和自動化控制設備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點通信網(wǎng)絡。隨著技術的成熟,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將逐步與分布式控制系統(tǒng)相融合,并最后取而代之,在工業(yè)現(xiàn)場充分發(fā)揮其在處理開關量方面的優(yōu)勢。031.1.2基于PC的工業(yè)控制系統(tǒng)工業(yè)PC自20世紀90年代初進入工業(yè)自動化,其具有豐富的硬件資源、軟件資源和人力資源,得到了廣大工程技術人員的支持,后期逐步深入其他各個領域,并獲得了廣泛的應用。由于PC具有一定的開放性,因此基于PC(包括嵌入式PC)的工業(yè)控制系統(tǒng),以每年20%以上的速率增長,使基于PC的工業(yè)控制技術逐漸成為21世紀初的主流技術之一。031.1.3管控一體化集成系統(tǒng)隨著Internet技術逐步滲透到工業(yè)控制領域,控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的結合成為必然,這也為管控一體化、工業(yè)企業(yè)信息化以及基于網(wǎng)絡的工業(yè)自動化提供了技術支持。企業(yè)選擇管控一體化提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率,增強了市場競爭能力。因此,工業(yè)控制技術發(fā)展新方向是通過以太網(wǎng)和Web技術實現(xiàn)開放型、分布式智能系統(tǒng),基于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的技術標準,提供模塊化、分布式、可重用的工業(yè)控制方案。其最主要的方面就是發(fā)展基于網(wǎng)絡的工程化工業(yè)控制與管理軟件。031.1.3管控一體化集成系統(tǒng)建設管控一體化系統(tǒng),主要包括多種系統(tǒng)的集成和多種技術的集成。多種系統(tǒng)集成主要包含三種集成模型:

(1)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS與DCS的集成,即FCS實現(xiàn)基本的測控回路,DCS作為高一層的管理協(xié)調者實現(xiàn)復雜的先進控制和優(yōu)化功能。

(2)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS、DCS與PLC的集成,即邏輯聯(lián)鎖比較復雜的場合使用PLC、FCS實現(xiàn)基本的測控回路,DCS作為高一層的管理協(xié)調者,實現(xiàn)復雜的先進控制和優(yōu)化功能。

(3)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是多種設備的集成,解決不同通信協(xié)議的轉換問題,重點研究不同現(xiàn)場總線設備的互操作性和統(tǒng)一的組態(tài)、監(jiān)控和軟件,以不影響各個獨立系統(tǒng)的功能和性能為前提,實現(xiàn)系統(tǒng)的無縫集成。031.2工業(yè)網(wǎng)絡技術1.層次及功能從企業(yè)綜合自動化控制系統(tǒng)的角度看,工業(yè)控制網(wǎng)絡從底層向上可劃分為現(xiàn)場設備網(wǎng)、過程控制(監(jiān)控)網(wǎng)、管理信息網(wǎng)等幾個層次,其具體功能如下:現(xiàn)場設備網(wǎng)1過程控制(監(jiān)控)網(wǎng)2管理信息網(wǎng)3031.2工業(yè)網(wǎng)絡技術2.性能指標工業(yè)控制網(wǎng)絡與商業(yè)網(wǎng)絡通信技術有著很大的不同,其性能指標主要包括實時性、確定性、可靠性和可用性。實時性1確定性2可靠性3可用性4031.2工業(yè)網(wǎng)絡技術3.工業(yè)以太網(wǎng)的特性在保證網(wǎng)絡正常工作的同時,工業(yè)網(wǎng)絡必須對以上三種不同的信息做出不同的處理。早期的工業(yè)控制系統(tǒng)采用具有確定性通信協(xié)議的令牌網(wǎng)絡以滿足通信需求,直到20世紀末至21世紀初,隨著在信息領域的廣泛應用,以太網(wǎng)逐漸被引入工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中。隨著技術的不斷發(fā)展,現(xiàn)場總線的出現(xiàn)使工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡化和智能化發(fā)展的方向,并且促使自動化儀表、在線計費系統(tǒng)(OnlineChargingSystem,OCS)和PLC等產(chǎn)品的體系結構和功能結構產(chǎn)生了重大變革,促使工業(yè)自動化領域不斷更新與發(fā)展。當然現(xiàn)場總線技術在其發(fā)展過程中也存在著一些不足,具體表現(xiàn)如下:031.2工業(yè)網(wǎng)絡技術現(xiàn)場總線的速度較低,支持的應用較為有限,不便于和Internet信息集成。不同總線之間不能兼容,不能很好地實現(xiàn)信息透明互訪,更是無法實現(xiàn)信息的無縫集成。現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標準過多,較為煩瑣?，F(xiàn)場總線是專用的實時通信網(wǎng)絡,成本較高。4321031.2.1現(xiàn)場總線技術現(xiàn)場總線控制技術(FieldbusControlSystem,FCS)是指一種數(shù)字化、串行、雙向、多站的通信網(wǎng)絡技術,該技術將安裝在工業(yè)過程現(xiàn)場的智能自動化儀表和裝置與安裝在控制室中的儀表和控制設備連接起來?；谶@種總線的新一代控制系統(tǒng)有兩個突出的特點:一是開放性,與OCS相比較,它突破了專用通信網(wǎng)絡的局限,采用基于公開化、標準化的解決方案,克服了封閉系統(tǒng)所產(chǎn)生的不足;二是分散性,把控制功能徹底下放到現(xiàn)場,將集中與分散相結合的集散系統(tǒng)變成了新型全分布式結構。031.2.2工業(yè)局域網(wǎng)技術總之,整個網(wǎng)絡的搭建需要考慮傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)類型以及網(wǎng)絡性能需求等問題。工業(yè)局域網(wǎng)的特點如下:1快速實時響應。3環(huán)境適應能力強。2可靠性高4開放系統(tǒng)互聯(lián)互操作性強。10謝謝觀看工業(yè)網(wǎng)絡技術與應用第二章以太網(wǎng)技術基礎012.1以太網(wǎng)技術基礎概述以太網(wǎng)(Ethernet)是一種較為普遍的計算機局域網(wǎng)組網(wǎng)技術規(guī)范。它基于IEEE制定的IEEE802.3標準,規(guī)定了包括物理層的連線、電信號和介質訪問層協(xié)議等內容,并在很大程度上取代了其他局域網(wǎng)標準(如令牌環(huán)、FDDI和ARCNET)。最初的以太網(wǎng)以2.94Mbit/s速率進行信息傳輸,歷經(jīng)10Mbit/s、100Mbit/s后,千兆以太網(wǎng)甚至10G以太網(wǎng)正在迅速崛起,并滲透到各個行業(yè)。以太網(wǎng)的工作方式主要包括:?半雙工:數(shù)據(jù)可以沿兩個方向傳送,但是在同一時刻只允許一個方向傳送數(shù)據(jù)。?全雙工:數(shù)據(jù)可以沿兩個方向傳送,在同一時刻也可以雙向傳送數(shù)據(jù)。02

CSMA/CD的工作原理一般總結為先聽后發(fā),邊發(fā)邊聽,沖突停發(fā),隨機延遲后重發(fā)。其工作流程如圖2-1所示。2.1以太網(wǎng)技術基礎概述圖2-1CSMA/CD的工作流程03在企業(yè)生產(chǎn)過程中,工業(yè)以太網(wǎng)技術的應用優(yōu)勢突出,具體表現(xiàn)如下:2.1以太網(wǎng)技術基礎概述(1)工業(yè)以太網(wǎng)技術應用范圍廣泛。(2)工業(yè)以太網(wǎng)技術應用經(jīng)濟性較好。(3)工業(yè)以太網(wǎng)技術通信速率較高。(4)工業(yè)以太網(wǎng)技術共享能力較好。(5)工業(yè)以太網(wǎng)技術發(fā)展空間較大。032.1.1物理層網(wǎng)絡物理層是指計算機與計算機之間通信的第一層。該層中定義了為建立、維護和拆除物理鏈路所需要的機械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性,其作用是使原始的數(shù)據(jù)比特流能在物理媒體上傳輸。網(wǎng)絡物理層要解決的主要問題如下:

(1)物理層要盡可能地屏蔽掉物理設備、傳輸媒體、通信手段的不同,使數(shù)據(jù)鏈路層感覺不到這些差異,只需要考慮完成本層的協(xié)議和服務。

(2)物理層需要解決物理連接的建立、維持和釋放等問題,為其服務對象———數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)在一條物理的傳輸媒體上傳送和接收比特流的能力。

(3)物理層需要為數(shù)據(jù)端設備提供傳送數(shù)據(jù)通路、傳輸數(shù)據(jù)。此外,工業(yè)應用的以太網(wǎng)物理層還需要滿足以下幾點:032.1.1物理層功耗和高溫工作環(huán)境1EMC/ESD穩(wěn)健性2以太網(wǎng)物理層延遲3以太網(wǎng)物理層數(shù)據(jù)速率可擴展性4產(chǎn)品尺寸5產(chǎn)品壽命6032.1.2數(shù)據(jù)鏈路層(1)通過改變幀結構、優(yōu)化調度等方法來修改數(shù)據(jù)鏈路層之上的協(xié)議,以保證實時性,典型的協(xié)議有EthernetPowerlink、Profinet和EPA。工業(yè)以太網(wǎng)作為當今科技發(fā)展的重要標志性技術,其實時性是一個重要指標。因此在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)基礎上針對數(shù)據(jù)鏈路層進行了適當修改,以提高工業(yè)以太網(wǎng)的實時性。具體包括兩個方面:(2)修改數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,在實時通道內由實時MAC接管通信控制,避免報文沖突,簡化數(shù)據(jù)處理,典型的協(xié)議有EtherCAT、SERCOSⅢ、MECHATROLINKⅢ等。032.1.3網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層是負責相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)幀傳輸,而網(wǎng)絡層是負責把數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康墓?jié)點上。網(wǎng)絡層相當于網(wǎng)絡的交通警察,它的主要職責就是確保所有數(shù)據(jù)從源節(jié)點經(jīng)明確、高效的路徑傳輸?shù)侥康墓?jié)點。具體的操作:一是當網(wǎng)絡層收到傳輸層送來的數(shù)據(jù)后,加上數(shù)據(jù)的源節(jié)點和目的主節(jié)點的網(wǎng)絡地址,并封裝成數(shù)據(jù)包,然后送到數(shù)據(jù)鏈路層。二是接收數(shù)據(jù)鏈路層送來的數(shù)據(jù)包后,打開數(shù)據(jù)包,檢測數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡地址,并判斷是否是自己的地址,如果是就把數(shù)據(jù)包的包頭去掉,轉變成傳輸層的數(shù)據(jù)段交給傳輸層;如果不是自己的地址就把數(shù)據(jù)包包好,返還給數(shù)據(jù)鏈路層,并確定數(shù)據(jù)該送的下一個網(wǎng)絡節(jié)點。總之,網(wǎng)絡層主要是檢查網(wǎng)絡拓撲結構,通過分組交換、選擇路徑、流量控制等手段,通過運行路由協(xié)議來決定傳輸報文的最佳路徑,轉發(fā)數(shù)據(jù)包。032.1.3網(wǎng)絡層

IP地址包含在IP分組(網(wǎng)絡層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元中),是指互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址,又可稱為網(wǎng)際協(xié)議地址,IP地址是IP協(xié)議提供的一種統(tǒng)一的地址格式,它為互聯(lián)網(wǎng)上的每一臺主機分配一個邏輯地址,以此來屏蔽物理地址的差異。IP地址是一個32位的二進制無符號數(shù),由兩部分構成:網(wǎng)絡ID和主機ID;其中網(wǎng)絡ID是用來在TCP/IP網(wǎng)絡中標識某個網(wǎng)段,同一網(wǎng)段中的所有設備的IP地址具有相同的網(wǎng)絡ID;主機ID是用來標識網(wǎng)段內的一個TCP/IP節(jié)點,在同一網(wǎng)段內,主機ID必須是唯一的,主機ID的分配由系統(tǒng)管理員負責。為了識記方便,IP地址通常被分割為4個“8位二進制數(shù)”(也就是4個字節(jié)),采用“點分十進制”表示成(a、b、c、d)的形式,其中a、b、c、d均取值為0~255的十進制整數(shù)。如某機器分配IP地址為10000000000011110000011100011111,其具體情況分析如圖2-7所示。032.1.3網(wǎng)絡層圖2-7IP地址的點分十進制記法032.1.3網(wǎng)絡層圖2-8IP地址分類

IP協(xié)議規(guī)定IP地址分為五類:A、B、C、D、E類,其中A、B、C三類是基本類,D、E兩類作為多播和保留使用,具體分類如圖2-8所示。032.1.3網(wǎng)絡層

IP地址中有一些特殊用途的IP地址,不能用來標識網(wǎng)絡設備,其具體如下:

(1)IP地址中的主機ID全為“0”,則標識為一個網(wǎng)絡,而不是指示網(wǎng)絡上特定主機。

(2)IP地址中的主機ID全為“1”,則為廣播地址,表示向某個網(wǎng)絡中所有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。

(3)IP地址中的網(wǎng)絡ID和主機ID全為“0”()代表所有的主機,路由器用該地址指定默認路由。

(4)IP地址中的網(wǎng)絡ID和主機ID全為“1”(55),稱為有限廣播地址,表示在本網(wǎng)內進行廣播發(fā)送,路由器并不轉發(fā)這些類型的廣播。

(5)IP地址中以127打頭的地址作為內部回送地址,不能用作公共網(wǎng)地址。

IP地址中包含網(wǎng)絡ID和主機ID,如何從32位二進制中判斷哪些位是網(wǎng)絡ID,哪些位是主機ID,就需要用到子網(wǎng)掩碼(SubnetMask),其需要和IP地址按位進行邏輯“與”運算來區(qū)分網(wǎng)絡地址和主機地址。對應A、B、C三類IP地址的子網(wǎng)掩碼見表2-1。032.1.3網(wǎng)絡層032.1.3網(wǎng)絡層某些基本類的IP地址中主機數(shù)目量過大,如果這些節(jié)點都處于一個廣播域中會造成廣播通信飽和,因此不可能讓它們處于同一廣播域。在IP地址設計過程中為解決該問題可以通過在某子網(wǎng)中借用主機號的最高幾位進行子網(wǎng)劃分,這樣IP地址結構可分為網(wǎng)絡ID、子網(wǎng)ID和主機ID。子網(wǎng)劃分實際上就是子網(wǎng)掩碼設計的過程,例如某公司有一個C類IP地址/27,則子網(wǎng)數(shù)為23=8(27-24=3)主機數(shù)為25-2=32-2=30(去掉每個子網(wǎng)中第一個IP地址和最后一個IP地址)說明:為該網(wǎng)絡進一步細化子網(wǎng)8個,每個子網(wǎng)中可以容納主機數(shù)為30。032.1.4傳輸層傳輸層也稱為運輸層,該層依賴于網(wǎng)絡層的虛擬電路或數(shù)據(jù)報服務,實現(xiàn)主機應用程序之間端到端的連通。該層的協(xié)議為網(wǎng)絡端點主機上的進程之間提供了可靠、有效的報文傳送服務。最為常見的兩個協(xié)議分別是傳輸控制協(xié)議(TransmissionControlProtocol,TCP)和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UserDatagramProtocol,UDP)。傳輸層只存在于端開放系統(tǒng)中,介于低三層通信子網(wǎng)系統(tǒng)和高三層之間,是源端到目的端對數(shù)據(jù)傳送進行控制的從低到高的最后一層,也是很重要的一層。傳輸層中一個完整的服務一般包括傳輸連接的建立,數(shù)據(jù)的傳送(細分為一般數(shù)據(jù)傳送和加速數(shù)據(jù)傳送),傳輸連接的釋放三個階段。它主要是用來實現(xiàn)邏輯連接的建立、傳輸層尋址、數(shù)據(jù)傳輸、傳輸連接釋放、流量控制、擁塞控制、多路復用和解復用、崩潰恢復等功能。032.1.4傳輸層該層一方面接收會話層送來的數(shù)據(jù),并加上端口地址、序號以及一些控制信息組裝成數(shù)據(jù)段,傳送給網(wǎng)絡層。另一方面則接收網(wǎng)絡層送來的數(shù)據(jù),要對數(shù)據(jù)進行檢測,并進行糾錯,若不能進行糾錯則需要通知對方重發(fā),沒有錯誤數(shù)據(jù)則根據(jù)數(shù)據(jù)的端口地址送到相應的應用程序端口。傳輸控制協(xié)議(TransmissionControlProtocol,TCP)是基于連接的協(xié)議,也就是說,在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前,必須和對方建立可靠的連接。一個TCP連接必須要經(jīng)過三次“對話”才能建立起來,其中的過程非常復雜,主機A和主機B利用TCP協(xié)議進行通信的過程如圖2-9所示。032.1.4傳輸層圖2-9主機A和主機B利用TCP協(xié)議進行通信的過程032.1.4傳輸層經(jīng)過三次“對話”之后,主機A才向主機B正式發(fā)送數(shù)據(jù)。用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UserDataProtocol,UDP)是與TCP相對應的協(xié)議。它是面向非連接的協(xié)議,因通信過程中無須握手,因此速度快、消耗少,但是易丟包,UDP較為適用于一次只傳送少量數(shù)據(jù)的應用環(huán)境。比如,我們經(jīng)常使用ping命令來測試兩臺主機之間TCP/IP通信是否正常,其實ping命令的原理就是向對方主機發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包,然后對方主機確認收到數(shù)據(jù)包,如果數(shù)據(jù)包是否到達的消息能夠及時反饋回來,那么網(wǎng)絡就是通的。032.1.4傳輸層通過比較可以看出TCP通信協(xié)議需要三次握手,因此速度慢、消耗多;而UDP不需要握手,通信效率高,而在工業(yè)以太網(wǎng)中一般強調實時性,因此UDP協(xié)議應用較為普遍。工業(yè)以太網(wǎng)通過修改TCP(UDP)/IP協(xié)議棧,來增加實時調度以控制通信中的不確定因素。典型協(xié)議包括Modbus/TCP、Ethernet/IP等,這種方案的響應時間為幾十毫秒,一般稱為軟實時工業(yè)以太網(wǎng),適合100ms以上實時性要求的工廠級控制領域。例如,Modbus/TCP并未對Modbus本身的協(xié)議進行修改,而是將Modbus幀嵌入TCP幀中,并采用面向連接的方式,每一個請求都要求一個應答。這種請求/應答的機制與Modbus的主/從機制互相配合,使得交換式以太網(wǎng)具有很高的確定性。032.1.5應用層應用層是開放系統(tǒng)的最高層,直接和應用程序接口并提供常見的網(wǎng)絡應用服務,例如事務服務、文件傳送服務等。其作用是在實現(xiàn)多個系統(tǒng)應用進程相互通信的同時,完成一系列業(yè)務處理所需要的服務,其服務元素分為兩類:公共應用服務元素CASE和特定應用服務元素SASE。CASE提供最基本的服務,它可成為應用層中任何用戶和任何服務元素的用戶,主要為應用進程通信、分布系統(tǒng)實現(xiàn)提供基本的控制機制;SASE則要滿足一些特定服務,如文件傳送、訪問管理、作業(yè)傳送、銀行事務和訂單輸入等。應用層的軟件大致分為兩類:

(1)網(wǎng)絡感知應用程序。

(2)應用層服務。另外,應用層也向表示層發(fā)出請求。032.2時間敏感型網(wǎng)絡(TSN)

TSN是由一系列技術標準構成的,主要分為時鐘同步、數(shù)據(jù)流調度策略以及TSN網(wǎng)絡與用戶配置,是國際產(chǎn)業(yè)界正在積極推動的全新工業(yè)通信技術。時間敏感型網(wǎng)絡允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡中傳輸,使得標準以太網(wǎng)具有確定性傳輸?shù)膬?yōu)勢,并通過廠商獨立的標準化進程,已成為廣泛聚焦的關鍵技術。TSN是IEEE802.1Q標準的VLAN。該標準在標準以太網(wǎng)幀中插入4個字節(jié)用于定義其特征。TSN數(shù)據(jù)幀結構見表2-2。032.2時間敏感型網(wǎng)絡(TSN)032.2時間敏感型網(wǎng)絡(TSN)具體意義如下:

(1)標簽協(xié)議識別:網(wǎng)絡類型識別,代表這是一個TSN網(wǎng)絡,標記0X8100。

(2)優(yōu)先級代碼(PriorityCodePoint,PCP)由3位代碼構成。

(3)丟棄標志位:對于網(wǎng)絡低QoS要求的數(shù)據(jù),可以丟棄,以確保高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的QoS。

(4)VLAN網(wǎng)絡的識別號(VLANIdentifier,VID):12位表示可支持的子網(wǎng)數(shù)量為212,共4096個,VID=0用于識別幀優(yōu)先級,4095(FFF)作為預留值,因此VID最多可以表示4094個子網(wǎng),這也表明TSN是為了大型的數(shù)據(jù)傳輸而設計的。當前工廠網(wǎng)絡采用典型的兩層三級架構,其中,IT和OT兩層網(wǎng)絡之間通過網(wǎng)關實現(xiàn)互聯(lián)和安全隔離;工廠、車間、現(xiàn)場三級之間的網(wǎng)絡配置和管理策略相互獨立。隨著TSN+OPCUA的推進,拉通了底層互聯(lián)互通、語義轉換和信息技術的發(fā)展,原有的兩層三級架構將會變成模糊,變得更加扁平、高效。032.2時間敏感型網(wǎng)絡(TSN)

TSN的意義對于工業(yè)而言并非僅僅是實時性,而在于通過TSN實現(xiàn)了從控制到整個工廠的連接。TSN是IEEE的標準,更具有“中立性”,因而得到了廣泛的支持。在工業(yè)領域,包括貝加萊、三菱、西門子、施耐德、羅克韋爾等主流廠商已經(jīng)推出其基于TSN的產(chǎn)品。貝加萊推出新的TSN交換機、PLC,而三菱則采用了TSN技術的伺服驅動器。不久的將來TSN將成為工業(yè)控制現(xiàn)場的主流總線。032.3

PoE2.3.1PoE簡介以太網(wǎng)供電技術(PoweroverEthernet,PoE)是一種標準以太網(wǎng)布線的雙重功能技術,既作為數(shù)據(jù)傳輸設施,又作為向遠程設備供電的手段。這項技術的出現(xiàn)在簡化安裝和提升互連效率方面提供了許多優(yōu)勢。應用于這項技術的常用設備包括IP電話、安全攝影機、智能照明設備、現(xiàn)代智能辦公設備等裝置,它們都能采用PoE技術來完成設備供電。這樣,就能省去配置電源線的費用,使整個裝置更簡潔,成本更低。032.3

PoE2.3.1PoE簡介1PoE系統(tǒng)構成3PoE供電設備原理2PoE供電傳輸方式4以太網(wǎng)供電過程032.3

PoE2.3.2PoE技術的優(yōu)點在任何聯(lián)網(wǎng)設備中,無論是生產(chǎn)現(xiàn)場所需要的安全攝像頭、無線接入點還是工業(yè)傳感器,都需要電源才能工作。通常,這將涉及在設備附近為其放置一個線路電源插座,即使低壓電源需求相對較小,通常不超過10W。在大多數(shù)情況下,設備可能是唯一需要線路電源插座,而且很明顯,在連接所有設備之前,廣泛的部署可能會帶來巨大的電氣安裝成本。PoE的另一個優(yōu)點是在線路斷電的情況下能夠為重要的用電設施提供備用電源。032.3

PoE2.3.2PoE技術的優(yōu)點

PoE技術在工業(yè)領域的一些應用,能夠簡化系統(tǒng)布線,降低能耗產(chǎn)生。許多工業(yè)自動化設施的設計有一項原則就是易于配置和布局。例如,生產(chǎn)設施中的裝配線可能需要拆卸和設置以生產(chǎn)不同的產(chǎn)品。以太網(wǎng)和PoE的結合增加了自動化系統(tǒng)的模塊性,使一些設備幾乎是即插即用的,只需要插入以太網(wǎng)電纜即可提供網(wǎng)絡連接和電源。這簡化了工廠設置,使電纜更容易布線并連接到設備層。這也節(jié)省了項目實施的時間,同時節(jié)省了額外布線的成本和鋪設電纜所需的人力。此外,通過為網(wǎng)絡上的每個PoE端點或供電設備PD提供一個中央電源,PoE提供了一個單一的維護點。例如:啟用PoE的交換機或集線器可以安全地為每個PD設備提供高達90W的功率,使PoE適用于攝像機、緊湊型控制面板以及閥門等執(zhí)行設備。032.3

PoE2.3.2PoE技術的優(yōu)點同樣,采用PoE技術還可以釋放額外布線的空間。由于功耗、熱能耗等問題,工業(yè)設施中的大多數(shù)電纜束會有一定的限制。同一束中的電纜通常使用扎帶固定在一起。因此,電纜束中的所有電纜都會產(chǎn)生熱量,從而升高整個電纜束的溫度,稱為“溫升”。由于電阻隨溫度升高而增大,由于熱量引起的功率和信號損耗將降低電纜束中每根電纜的功率效率。PoE簡化了工業(yè)自動化中電力電纜的使用,從而減少了一束電纜的數(shù)量,減少了熱功耗,并防止了以太網(wǎng)雙絞線中的信號退化,提高了向設備供電的效率。因此,在自動化設備中增加PoE技術具有很強的現(xiàn)實意義。032.4容錯與冗余工業(yè)以太網(wǎng)以其特有的低成本、高實效、高擴展性及高智能的優(yōu)點,吸引著越來越多的制造業(yè)廠商,控制系統(tǒng)和工廠自動化系統(tǒng)常常采用工業(yè)以太網(wǎng)技術完成工業(yè)控制任務。在核電、電力以及交通等很多工業(yè)控制領域的實際應用場合下,設備所處的環(huán)境相當復雜,用戶對以太網(wǎng)的可靠性要求也越來越高。為了保證不會因通信服務器失效、網(wǎng)絡斷線或交換機故障而導致整個通信系統(tǒng)癱瘓,現(xiàn)在普遍通過以太網(wǎng)冗余技術來提高網(wǎng)絡容錯的能力。032.4容錯與冗余幾種常用冗余技術如下:1STP及RSTP2環(huán)網(wǎng)冗余RapidRing3鏈路聚合LinkAggregation10謝謝觀看工業(yè)網(wǎng)絡技術與應用第三章工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)軟件013.1SIMATICNET

OPC是一種標準技術規(guī)范,稱為OPC基金會標準。OPC采用典型的C/S模式,針對硬件設備的驅動程序由硬件廠商完成,提供統(tǒng)一OPC接口標準的Server程序,軟件廠商只需按照OPC標準接口編寫Client程序就可訪問Server程序進行讀寫,即可實現(xiàn)與硬件設備的通信。利用OPC技術可有效快速的集成不同供應商的設備,提高編程效率降低成本。013.1SIMATICNET

SIMATICNET是西門子的工業(yè)網(wǎng)絡通信軟件。它起連接上位機與下位機的作用,相當于一個OPC,可以將工業(yè)現(xiàn)場的PLC、主機、工作站和個人電腦之間交換數(shù)據(jù),能夠適應自動化工程中的種類多樣性。SIMATICNET的主要特點如下:

(1)SIMATICNET包含CP5613、CP5614和CP1613、CP1616等通信卡的驅動程序,Step7集成的“設置PG/PC接口”工具不支持上述通信卡。將這類CP卡插入計算機,在安裝SIMATICNET時,將自動地為它們安裝驅動程序。

(2)如果上位機運行的組態(tài)軟件不支持西門子的通信協(xié)議,不能直接訪問PLCS71200,需要用SIMATICNET的OPC功能來解決此類問題。

(3)大型復雜的控制系統(tǒng)是由多臺計算機和多臺PLC組成,可以用SIMATICNET來組態(tài)PC站,然后在netpro中分別組態(tài)各PLC和各PC站點之間的連接。013.1SIMATICNET

(4)使用冗余設計的容錯自動化系統(tǒng)S7-400h和CP1613、CP1616以太網(wǎng)卡時,必須用SIMATICNET來組態(tài)冗余通信。

(5)SIMATICNET提供了S7、fdl、PG/OP等通信協(xié)議訪問的授權。

SIMATICNET軟件中的OPCScout工具用于OPC組態(tài),生成的OPC的組和條目用于PLC與組態(tài)軟件的通信,還可以用來測試OPC服務器和PLC的數(shù)據(jù)通信。具體使用方法如下:013.1SIMATICNET第一步配置PC站的硬件機架。當SIMATICNET軟件成功安裝后,在PC機桌面上可看到StationConfiguratoion的快捷圖標同時在任務欄(Taskbar)中也會有StationConfigurationEditor的圖標。

(1)通過雙擊圖標打開“StationConfigurationEditor”配置窗口,如圖3-1所示。023.1SIMATICNET圖3-1StationConfigurationEditor配置窗口023.1SIMATICNET

(2)選擇Index中的“1”(一號插槽),單擊“Add”按鈕,打開“AddComponent”窗口,在Type下拉列表中選擇“OPCServer”選項,單擊“OK”按鈕完成添加,如圖3-2所示。圖3-2添加OPCServer023.1SIMATICNET

(3)同樣方法選擇三號插槽添加“IEGeneral”,如圖3-3所示。

(4)單擊“OK”按鈕彈出網(wǎng)卡屬性對話框,如圖3-4所示。圖3-3添加IEGeneral圖3-4網(wǎng)卡屬性023.1SIMATICNET

(5)網(wǎng)卡的配置。單擊“NetworkProperties”按鈕,打開Windows網(wǎng)絡配置窗口,選擇本地連接屬性菜單設置網(wǎng)卡參數(shù),如IP地址、子網(wǎng)掩碼等,如圖3-5所示。圖3-5本地連接屬性設置023.1SIMATICNET

(6)分配PCStation名稱。單擊“Stationname”按鈕,指定PC站的名稱,這里命名為PCStation。單擊“OK”按鈕完成PC站的硬件組態(tài),如圖3-6所示。圖3-6分配PCStation名稱023.1SIMATICNET說明:StationName并不是特指PC機的名稱。第二步配置控制臺(ConfigurationConsole)的使用與設置。

(1)正確完成PCStation的硬件組態(tài)后,打開配置控制臺,可以看到所用以太網(wǎng)卡的模式已從PGmode切換到Configurationmode,插槽號(Index)也自動指向3。

(2)在AccessPoints設定窗口中,將S7ONLINE指向PCinternal(local)。此設定是為PCStation組態(tài)的下載做準備,如圖3-7所示。023.1SIMATICNET圖3-7PCStation配置控制臺下載023.1SIMATICNET第三步在STEP7中組態(tài)PCStation

(1)打開SIMATICManager,通過FileNew創(chuàng)建一個新項目,如“項目1”。通過InsertStationSimaticPCStation插入一個PC站,雙擊“Configuration”進入PCStation組態(tài)界面,如圖3-8所示。023.1SIMATICNET圖3-8STEP7中創(chuàng)建新項目與建立SimaticPCStation023.1SIMATICNET

(2)在硬件組態(tài)中,從硬件目錄窗口中選擇與已安裝的SIMATICnet軟件版本相符的硬件插入與在StationConfigurationEditor配置的PC硬件機架相對應的插槽中,如圖3-9所示。

(3)分配普通以太網(wǎng)絡參數(shù),完成網(wǎng)卡配置,操作如上。單擊IEGeneral屬性對話框中“Properties”按鈕打開以太網(wǎng)接口參數(shù)設置對話框,按要求設置以太網(wǎng)卡的IP地址和相應的子網(wǎng)掩碼。IP地址應與實際硬件所設以太網(wǎng)卡IP地址一致,并用“New”按鈕建立一個ethernet網(wǎng)絡。

(4)完成PC站組件設置后,右擊“PCstation”,單擊“在線組態(tài)PC站”選項,如圖3-10所示。023.1SIMATICNET圖3-9PCStation硬件組態(tài)圖3-10組態(tài)的編譯存盤023.1SIMATICNET

(5)確認“組態(tài)”無誤后,單擊“顯示”按鈕,如圖3-11所示,進入“PC站顯示”窗口。圖3-11選擇“顯示”按鈕023.1SIMATICNET

(6)在“PC站顯示”窗口中,選擇“OPCServer”,在連接表第一行右擊插入一個新的連接,如圖3-12所示。圖3-12插入新的連接023.1SIMATICNET

(7)如果在同一個STEP7項目中,所要連接的PLC站已經(jīng)組態(tài)完成,連接會自動創(chuàng)建,不需要以下步驟的設置,僅需要確認連接屬性即可,如圖3-13所示。圖3-13在網(wǎng)絡配置中添加新的連接023.1SIMATICNET

(8)在TIAPortal中PC硬件組態(tài)時,“IEgeneral”與“OPCServer”序列號一定要與PC站所顯示的一致,否則將會出現(xiàn)組態(tài)錯誤,如圖3-14所示。圖3-14S7索引序列號對應023.1SIMATICNET

(9)確認所有配置后,TIAPortal中的變量可以與PCStation關聯(lián),如果組態(tài)不正確,則不能下載到PCStation中,如圖3-15所示。圖3-15組態(tài)編譯023.1SIMATICNET第四步組態(tài)下載

(1)完成PC站組態(tài)后,即可將組態(tài)下載到PC站中,單擊“OK”按鈕執(zhí)行下載。

(2)下載完成后,可以打開“StationConfigurationEditor”窗口,檢查組件狀態(tài),“OPCServer”一欄要有連接圖標,此項說明連接激活,如圖3-16所示。圖3-16PCStation運行狀態(tài)023.2博途3.2.1TIA博途簡介

TIA博途是全集成自動化軟件TIAPortal的簡稱,是西門子工業(yè)自動化集團發(fā)布的一款全新的全集成自動化軟件。它是業(yè)內首個采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境的自動化軟件,幾乎適用于所有自動化任務。借助該全新的工程技術軟件平臺,用戶能夠快速、直觀地開發(fā)和調試自動化系統(tǒng)。023.2博途3.2.2博途的簡單操作雙擊快捷圖標打開博途界面,首先顯示的是博途的初始界面,用戶也可以根據(jù)需要選擇頁面左下角的“項目視圖”進入項目視圖界面。如圖3-17所示。圖3-17博途初始界面023.2博途在博途的初始界面上,可以打開現(xiàn)有的項目也可以創(chuàng)建新項目,雙擊“創(chuàng)建新項目”進入“創(chuàng)建新項目”界面。“創(chuàng)建新項目”的基本信息主要包括項目名稱、路徑、版本、作者及注釋,如圖3-18所示。圖3-18“創(chuàng)建新項目”的基本信息023.2博途單擊“創(chuàng)建”按鈕,打開“項目設計向導”界面,如圖3-19所示。雙擊“組態(tài)設備”按鈕,進入項目設計的第一步,添加新設備,如圖3-20所示。圖3-19“項目設計向導”界面圖3-20添加新設備023.2博途雙擊“添加新設備”按鈕,進入“添加新設備”界面,這里有四類設備可以選擇,分別為控制器、HMI、PC系統(tǒng)和驅動。以控制器為例,選擇“控制器”,在界面中間位置顯示控制器的類型,用戶需要選擇與所需設備完全一致的設備名稱、訂貨號以及版本,否則程序不能正確的添加至設備中?！疤砑有略O備”界面如圖3-21所示。圖3-21“添加新設備”界面023.2博途補充:設備的類型在設備的側面可以找到,如圖標單擊“確定”按鈕,進入視圖界面,單擊硬件的網(wǎng)卡接口部分,如圖3-22所示。圖3-22選定網(wǎng)卡接口界面023.2博途單擊“模塊”目錄樹中的“設備組態(tài)”選項,進入PLC的IP地址以及子網(wǎng)掩碼設置界面,如圖3-23所示。圖3-23PLC的IP地址與子網(wǎng)掩碼設置界面023.2博途依據(jù)功能需求,用戶還可以設置變量、編寫程序,并將其燒錄到設備中,在燒錄前一般情況下會選擇設備的主目錄文件夾,含義是將設備的所有設置一次性燒錄完成,后期如果對設備的某些功能進行了修改,用戶可以就修改部分選擇單獨燒錄即可。設備功能下載界面,如圖3-24所示。圖3-24設備功能下載界面023.2博途單擊“下載”按鈕,打開“擴展下載到設備”界面,用戶需要選擇PG/PC接口類型以及接口,進行搜索連接設備,如圖3-25所示。圖3-25擴展下載到設備界面023.2博途單擊“開始搜索”按鈕,待搜索結束后,在“選擇目標設備”表格中出現(xiàn)了連接設備,如圖3-26所示。圖3-26選擇目標設備下載界面023.2博途單擊“下載”按鈕,進入“下載到設備前編譯”界面,如圖3-27所示。圖3-27“下載到設備前編譯”界面023.2博途組態(tài)編譯進行到軟件同步后,單擊“在不同步的情況下繼續(xù)”按鈕,進行軟件同步,如圖3-28所示。圖3-28“裝載到設備前的軟件同步”界面023.2博途進入“下載預覽”界面,該界面“狀態(tài)”列中圖標表示警告,圖標表示正確,還有一種符號就是叉,如果出現(xiàn)叉就必須尋找錯誤原因并進行修改,然后才能繼續(xù)裝載,否則可以忽略,這里可以在“停止模塊”行對“無動作”進行修改,修改為“全部停止”,然后單擊“裝載”按鈕,如圖3-29所示。圖3-29“下載預覽”界面023.2博途單擊“裝載”按鈕后,顯示下載過程,如圖3-30所示。圖3-30下載過程023.2博途等待一段時間,裝載完成后,單擊“完成”按鈕,如圖3-31所示。圖3-31設備配置裝載完成界面023.2博途3.2.3PROFINET組態(tài)

PROFINET由PROFIBUS國際組織(PROFIBUSInternational,PI)推出,是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術的自動化總線標準。PROFINET為自動化通信領域提供了一個完整的網(wǎng)絡解決方案,兼容標準以太網(wǎng)、實時以太網(wǎng)、同步實時通信三種通信方式,而且可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線(如PROFIBUS)技術。PROFINET協(xié)議棧如圖3-32所示。圖3-32PROFINET模型023.2博途

PROFINET技術包括PROFINETIO和PROFINETCBA兩部分,它們基于不同的通信模型。PROFINETIO用來完成工業(yè)自動化中分布式系統(tǒng)的控制,主要包括IO控制器、IO設備和IO監(jiān)視器三種設備。PROFINETCBA(ComponentBased

Automation)是基于組件的自動化網(wǎng)絡協(xié)議,它適用于設備/系統(tǒng)之間的通信。如果說PROFINETIO是控制器與現(xiàn)場設備的IO數(shù)據(jù)交換,那么PROFINETCBA則提供了多個IO系統(tǒng)之間的標準接口,可以組成更大的系統(tǒng)。023.2博途在工業(yè)自動化控制中,不同控制對象的實時性要求不同。比如某些過程參數(shù)的設置、設備的診斷等一般實時性要求較低,但是對于控制器與現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器的數(shù)據(jù)交換就要滿足一定的實時性要求;而對于運動控制,其實時性要求就更高。基于不同控制對象的實時性要求的不同,PROFINET分成三種不同的通信等級:

(1)基于TCP/UDP和IP技術的非實時性通信,可以用于組態(tài)、參數(shù)設置、診斷等小于100ms的非實時性要求的場合。

(2)實時通信(RealTimeCommunication,RTC),適合周期性數(shù)據(jù)交換的場合。比如PROFINETIO控制器和IO設備之間,不僅要完成數(shù)據(jù)的周期性交換,還必須保證一定的實時性。這里的實時性,一般要求循環(huán)周期小于10ms;PROFINET的實時通信采用的是基于虛擬局域網(wǎng)(VLAN)的技術,通過優(yōu)先級保證通信的實時性,不需要特殊的硬件支持。023.2博途

(3)等時同步通信(IsochronousRealTimeCommunication,IRTC)。對于時間要求嚴格同步的通信,比如運動控制,實時通信(RT)的10ms數(shù)據(jù)交換周期不能滿足要求,這種情況下要采用等時同步通信。該通信模式下,數(shù)據(jù)的循環(huán)刷新時間小于1ms,循環(huán)掃描周期的抖動時間不大于1μs(微秒);等時同步通信需要特殊的ASIC芯片支持。具有實時通信(RT)功能的PROFINETIO是集成I/O系統(tǒng)的最優(yōu)解決方案。該解決方案也可使用設備中的標準以太網(wǎng)以及市場上可購買到的工業(yè)交換機作為基礎架構部件。不需要特殊的硬件支持。如果希望使用ROFINETIRT功能,必須采用可根據(jù)標準IEC61158支持PROFINET標準的交換機,如SCALANCEX-200IRT系列交換機。

PROFINET主要用于實現(xiàn)高確定性的實時通信,與以太網(wǎng)相比存在一些不同,具體如下:023.2博途實時性不同01成本不同03可靠性不同05使用協(xié)議不同02擴展性能不同04023.2博途項目的實施步驟如下:第1步,在上位機中利用控制面板打開“網(wǎng)絡和Internet”界面,選擇“網(wǎng)絡和共享中心”中的“查看網(wǎng)絡狀態(tài)和任務”選項,如圖3-34所示。圖3-34打開“網(wǎng)絡和Internet”界面023.2博途第2步,打開“查看網(wǎng)絡狀態(tài)和任務”的界面后,選擇“更改適配器設置”選項,如圖3-35所示。圖3-35查看網(wǎng)絡狀態(tài)界面023.2博途第3步,打開“更改適配器設置”后,選擇“以太網(wǎng)2”,右擊,彈出窗口如圖3-36所示。圖3-36查看屬性界面023.2博途第4步,選擇“屬性”選項,打開屬性界面,選擇“Internet協(xié)議版本4(TCP/IPv4)”選項,單擊“屬性”按鈕,如圖3-37所示。第5步,單擊“屬性”按鈕,打開“Internet協(xié)議版本4(TCP/IPv4)屬性”設置窗口,配置上位機的IP地址(00)與子網(wǎng)掩碼(),如圖3-38所示。圖3-37屬性界面023.2博途圖3-38上位機的IP地址和子網(wǎng)掩碼配置023.2博途第6步,利用工業(yè)以太網(wǎng)線纜將上位機與SCALANCEXB208交換機連接,利用PST工具為其配置IP地址(2)和子網(wǎng)掩碼(),并單擊工具欄中“”按鈕,完成設置的下載,如圖3-39所示。圖3-39XB208交換機的基本配置023.2博途第7步,利用工業(yè)以太網(wǎng)線纜將上位機與S71200連接,打開博途軟件新建項目,在項目中通過“添加新設備”功能添加S71200。添加成功后,在設備視圖中選中S71200,在界面中單擊“屬性”頁簽,選擇“常規(guī)”目錄樹中的“項目信息”選項,在右側的“項目信息”頁簽中修改名稱為“IO-Controller”,如圖3-40所示。第8步,設置IO控制器的子網(wǎng)、IP地址和子網(wǎng)掩碼。單擊“PROFINET接口[X1]”目錄樹下的“以太網(wǎng)地址”選項,在右側的頁簽中設置子網(wǎng)(單擊“添加新子網(wǎng)”)、IP地址(1)和子網(wǎng)掩碼(),如圖3-41所示。023.2博途圖3-40修改IO控制器的名稱圖3-41配置IO控制器的子網(wǎng)、IP地址和子網(wǎng)掩碼023.2博途第9步,選擇“PROFINET接口[X1]”目錄樹下的“操作模式”選項,在右側頁簽中使用全部默認配置,即將該PLC作為IO控制器,如圖3-42所示。圖3-42IO控制器操作模式配置023.2博途第10步,為IO控制器添加“數(shù)據(jù)類型”為“Byte”的兩個變量用于測試數(shù)據(jù)傳輸,變量名稱分別為“Tag_1”和“Tag_2”,地址分別為“%QB2”和“%IB2”,如圖3-43所示。圖3-43為IO控制器增加變量類型為Byte的變量023.2博途第11步,在“IO-Controller”目錄樹下單擊“監(jiān)控與強制表”,在顯示的目錄樹中雙擊“添加新監(jiān)控表”選項,新建一個監(jiān)控表,名稱為“監(jiān)控表_1”。在右側界面中的“名稱”列下分別選擇“Tag_1”和“Tag_2”變量,將顯示格式分別設置為二進制和字符,如圖3-44所示。圖3-44IO控制器的監(jiān)控表中添加監(jiān)控變量023.2博途第12步,在項目中通過“添加新設備”添加S71200,添加成功后,在設備視圖中選中“S71200”,單擊“屬性”頁簽,選擇“常規(guī)”選項,單擊“項目信息”在右側頁面中修改名稱為“IO-Device”。第13步,在“常規(guī)”頁簽中,選擇“PROFINET接口[X1]”目錄樹下的“以太網(wǎng)地址”選項,在右側頁簽中設置子網(wǎng)、IP地址()和子網(wǎng)掩碼(),如圖3-45所示。圖3-45設置IO設備的子網(wǎng)、IP地址和子網(wǎng)掩碼023.2博途第14步,在“PROFINET接口[X1]”目錄樹下選擇“操作模式”選項,在右側頁簽中勾選“IO控制器”復選框;在“已分配的IO控制器”下拉列表中選擇“IO-Controller.PROFINET接口_1”,如圖3-46所示。圖3-46IO設備配置界面023.2博途第15步,為IO設備添加數(shù)據(jù)類型為“Byte”的兩個變量,變量名稱分別為“Tag_3”和“Tag_4”,地址分別為“%IB2”和“%QB3”,如圖3-47所示。圖3-47為IO設備添加變量類型為Byte的變量023.2博途第16步,為IO設備添加監(jiān)控表。在新建的“監(jiān)控表_1”中,在“名稱”列下分別選擇“Tag_3”和“Tag_4”變量,將顯示格式分別設置為“二進制”和“字符”,效果同上,如圖3-48所示。圖3-48在IO設備監(jiān)控表中添加監(jiān)控變量023.2博途第17步,在“PROFINET接口[X1]”目錄樹中選擇“操作模式”中的“智能設備通信”選項,在右側頁簽中雙擊“新增”選項,添加傳輸區(qū),增加了兩個傳輸區(qū),如圖3-49所示。圖3-49傳輸區(qū)設置023.2博途說明:第一個傳輸區(qū)將“IO控制器中的地址”為“Q2”的變量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)健爸悄茉O備中的地址”為“I2”的變量中,第二個傳輸區(qū)將“IO控制器中的地址”為“Q3”的變量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)健爸悄茉O備中的地址”為“I3”的變量中。第18步,分別選擇IO控制器和IO設備,單擊工具欄上“”工具,將配置下載到設備中,如圖3-50所示。023.2博途圖3-50配置下載023.2博途第19步,利用工業(yè)以太網(wǎng)線纜,搭建網(wǎng)絡拓撲結構,將作為IO控制器的S71200與SCALANCEXB208的P2端口連接,將作為智能IO設備的S71200與SCALANCEXB208的P4端口連接,將上位機與SCALANCEXB208的P6端口連接。第20步,通信測試。

(1)在IO控制器的“監(jiān)控表_1”和IO設備的“監(jiān)控表_1”中,分別單擊“全部監(jiān)視”按鈕圖標。

(2)在IO控制器的“監(jiān)控表_1”中,在“Tag_1”行的修改值處右擊,選擇修改為1,監(jiān)視值將變?yōu)榕c修改值一樣,如圖3-51所示。圖3-51修改IO控制器中地址為%QB2的值023.2博途

(3)切換到IO設備的“監(jiān)控表_1”,可以看到IO設備的%IB2地址已經(jīng)收到來自IO控制器發(fā)送的數(shù)據(jù),如圖3-52所示。圖3-52修改IO設備中地址為%QB3的值023.2博途

(4)在IO設備的“監(jiān)控表_1”中,在“Tag_4”行的修改值處將修改值設置為'K',右擊,在彈出菜單中選擇“修改”→“立即修改”選項,監(jiān)視值將變?yōu)榕c修改值一樣,如圖3-53所示。圖3-53修改IO設備中地址值的配置023.2博途

(5)修改IO設備中地址為%QB2的值,切換到IO控制器的“監(jiān)控表_1”,可以看到IO控制器的%IB2地址已經(jīng)收到來自IO設備發(fā)送的數(shù)據(jù),如圖3-54所示。圖3-54IO控制器監(jiān)視值同步023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件3.3.1PST

PrimarySetupTool(簡稱PST)用于工業(yè)網(wǎng)絡掃描和設置SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的地址。PST可為SIMATICNET網(wǎng)絡組件、以太網(wǎng)CP以及網(wǎng)絡轉接過程分配地址(例如IP地址)。前提條件是,此臺SIMATICNET網(wǎng)絡設備具有一個預設定的以太網(wǎng)(MAC)地址,并且在網(wǎng)絡中處于在線可訪問狀態(tài)。使用PST軟件,給交換機設置IP地址以后就可以使用IE瀏覽器訪問交換機內部的WEB管理頁面,對交換機進行配置與管理,一般可以設置IP、FTP/TFTP、BOOTP、DHCP、SMTP、SYSLOG等,其中FTP功能可以省去使用電腦作為FTP服務器功能,減少硬件成本,同時軟件操作更加方便。023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件安裝程序是一個自解壓縮的ZIP格式文件。具體安裝過程如下:在PST_V4.2文件夾中雙擊“Setup”,彈出如圖3-55所示界面。圖3-55PST安裝初始界面023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件進入安裝初始界面,提示是否繼續(xù)在該計算機上安裝PST,如果用戶想繼續(xù)安裝,則單擊“Next”按鈕,顯示界面如圖3-56所示。彈出PST軟件的Readme文檔閱讀提醒,用戶可以根據(jù)需要做出選擇,如果想閱讀Readme文件,則單擊“Iwanttoreadthenotes”選項,如果用戶不想閱讀,可以直接單擊“Next”按鈕,顯示界面如圖3-57所示。計算機系統(tǒng)中需要進行一些簡單信息的配置,此時用戶可以重新啟動計算機,顯示界面如圖3-58所示。023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件圖3-56PST文檔閱讀提醒023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件圖3-57提示重啟計算機圖3-58語言選擇023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件這里選擇English(UnitedStates),單擊“OK”按鈕,顯示界面如圖3-59所示。圖3-59系統(tǒng)安裝配置過程023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件該過程需要等待幾分鐘,配置完成后,直接彈出PST許可協(xié)議界面,用戶需要選中“Iaccepttheconditionsofthislicenseagreement”復選框,然后單擊“Next”按鈕,如圖3-60所示。圖3-60安裝許可提示023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件用戶在該界面可以修改PST安裝路徑,根據(jù)需要,如果用戶想修改安裝路徑,可以單擊“Browse”按鈕,如圖3-61所示。圖3-61PST安裝路徑的選擇023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件修改安裝路徑,修改完成后,單擊“OK”按鈕,如圖3-62所示。圖3-62安裝路徑修改界面023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件用戶單擊“OK”按鈕以后,進入界面如圖3-63所示。圖3-63PST安裝進程界面023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件五個文件按照順序安裝,直到都安裝完成,顯示界面如圖3-64所示。圖3-64安裝過程界面023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件文件配置完成以后,顯示界面如圖3-65所示。圖3-65安裝成功界面023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件若要在安裝完成后,就使用PST軟件,需要選中“Yes,restartthecomputernow”單選按鈕,然后單擊“Finish”按鈕。在桌面上雙擊圖標,彈出語言選擇界面如圖3-66所示。圖3-66語言選擇界面023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件選中“english”單選按鈕,單擊“Apply”按鈕,彈出PST軟件界面,如圖3-67所示。圖3-67PST軟件界面023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件3.3.2PNI網(wǎng)絡初始化調試工具(PrimaryNetworkInitialization,PNI)是西門子在2020年發(fā)布的一款網(wǎng)絡初始化工具,PNI作為PST的升級替代軟件,在實現(xiàn)PST全部功能的基礎上,根據(jù)工程實際需求增加了部分功能。PNI軟件不但具備設備IP地址掃描,還具備設備LED燈控制、設備憑證配置、Scalance和Ruggedcom網(wǎng)絡組件及控制器CPU初始化功能,并可通過IP地址訪問第三方設備。

PNI操作界面如圖3-68所示,PNI軟件界面具有如下10個主要區(qū)域:023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件圖3-68PNI操作界面023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件①軟件名稱。②軟件導航界面。③快速訪問菜單和按鈕。④消息提醒。⑤用戶菜單。⑥在線幫助。⑦顯示在線設備列表。⑧按指定內容升序/降序排列。⑨設備過濾輸入框。⑩系統(tǒng)狀態(tài)信息顯示欄。PNI軟件具有如下功能:①獲取設備列表。a.獲取設備名稱。b.獲取設備IP地址、子網(wǎng)掩碼和路由。023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件②初始化操作。a.恢復PROFINET參數(shù)為默認配置(對支持PROFINET的設備)。b.恢復設備出廠值。③固件升級。④設備可用性檢查。a.PING所選設備。b.控制所選設備LED燈閃爍。⑤程序文件讀寫。a.設備文件下載。b.設備文件上載。⑥WEB訪問。a.通過WEB訪問第三方設備。b.通過WEB配置第三方設備參數(shù)。023.3工業(yè)網(wǎng)絡初始化軟件⑦設備參數(shù)配置。a.配置設備的IP地址、子網(wǎng)掩碼和路由。b.配置設備名稱。c.配置PROFINET設備名稱。⑧設置設備訪問證書。10謝謝觀看工業(yè)網(wǎng)絡技術與應用第四章工業(yè)交換機的配置與管理014.1工業(yè)交換機概述工業(yè)以太網(wǎng)交換機專門為滿足靈活多變的工業(yè)應用需求而設計,提供一種高性價比工業(yè)以太網(wǎng)通信解決方案,而其組網(wǎng)方式更是重點關注環(huán)路設計。環(huán)路有單環(huán)和多環(huán)的區(qū)別,同時亦有在STP和RSTP基礎上,各個廠家設計的私有環(huán)路協(xié)議,如RingOn、RingOpen開環(huán)、FRP環(huán)、Turbo環(huán)等。工業(yè)交換機的管理與維護一般可以通過RS-232串行口(或并行口)、Web和網(wǎng)絡管理軟件管理三種方式進行。1.串行口管理2.Web管理3.網(wǎng)絡管理軟件管理024.1工業(yè)交換機概述4.1.1工業(yè)以太網(wǎng)設備以太網(wǎng)電纜是從一個網(wǎng)絡設備連接到另外一個網(wǎng)絡設備傳遞信息的介質,是以太網(wǎng)網(wǎng)絡的基本構件。以太網(wǎng)有線傳輸介質主要包括雙絞線(也就是平時說的網(wǎng)線)、光纖和同軸電纜。在這三者中,同軸電纜由于價格比較高、性能一般而逐漸被市場所淘汰;光纖的性能非常優(yōu)良,但價格過高且安裝起來也比較困難,一般只應用在各項指標都要求較高的網(wǎng)絡環(huán)境中,家庭網(wǎng)絡很少有此應用;雙絞線由其低廉的價格,簡單的安裝方法,良好且穩(wěn)定的性能在有線網(wǎng)絡中被廣泛使用。

024.1工業(yè)交換機概述雙絞線電纜一般分為8類:1類線主要用于語音傳輸;2類線由于傳輸頻率只有1MHz,主要用于舊的令牌網(wǎng);3類線主要用于10BASE-T的網(wǎng)絡;4類線主要用于令牌網(wǎng)和10BASE-T/100BASE-T網(wǎng)絡;5類線的傳輸率為100MHz,用于100BASE-T和10BASE-T網(wǎng)絡,它是最常用的以太網(wǎng)電纜;超5類線主要用于千兆位以太網(wǎng)(1000Mbit/s);6類線的傳輸頻率為1~250MHz,適用于傳輸速率高于1Gbit/s的網(wǎng)絡;7類線是最新的一種非屏蔽雙絞線,傳輸頻率可達500MHz,傳輸速率為10Gbit/s。雙絞線還分為非屏蔽和屏蔽兩種。日常辦公中應用最多的為5類非屏蔽雙絞線,由于屏蔽雙絞線增加了屏蔽層,因此比普通的非屏蔽雙絞線更具有可靠性和穩(wěn)定性。光纖光纜是新一代的傳輸介質,與銅質介質相比,光纖無論是在安全性、可靠性還是網(wǎng)絡性能方面都有了很大的提高。除此之外,光纖傳輸?shù)膸挻蟠蟪鲢~質線纜,而且其支持的最大連接距離超過兩公里,它是組建較大規(guī)模網(wǎng)絡的必然選擇。光纖光纜具有抗電磁干擾性好、保密性強、速度快、傳輸容量大等優(yōu)點,但是它的價格也較為昂貴,因此在家用場合很少使用。由于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中具有電磁干擾、腐蝕等特點,有時需要長距離傳輸,因此在工業(yè)以太網(wǎng)絡中,通常使用的物理傳輸介質是屏蔽雙絞線(TwistedPair,TP)、工業(yè)屏蔽雙絞線(IndustrialTwistedPair,ITP)以及光纖。工業(yè)以太網(wǎng)使用8芯和4芯雙絞線,電纜連接方式也有兩種:正線(標準568B)和反線(標準568A),其中正線也稱為直通線,反線也稱為交叉線。024.1工業(yè)交換機概述工業(yè)交換機一般分為兩種類型:非管理型交換機(UnmanagedSwitch)1管理型交換機(ManagedSwitch)2024.1工業(yè)交換機概述4.1.2簡單的網(wǎng)絡配置項目要求:某企業(yè)通過簡單的網(wǎng)絡設備配置,實現(xiàn)上位機與PLC的通信。項目設備需求:交換機(SCALANCEXM408)一臺;PLC(S71200)一臺;上位機(安裝有PST軟件)一臺;工業(yè)以太網(wǎng)線纜兩根。項目的目的:了解網(wǎng)絡配置的目的;掌握使用PST(PrimarySetupTool)工具為交換機和PLC分配IP地址;掌握通過WEB界面配置交換機的方法(以SCALANCEXM408-8CL3為例)。項目實現(xiàn)功能:采用所給設備,依據(jù)給定網(wǎng)絡拓撲結構,搭建簡單的工業(yè)局域網(wǎng),主要功能實現(xiàn)———利用PST軟件通過Web界面配置交換機,實現(xiàn)簡單的通信。其網(wǎng)絡拓撲結構如圖4-1所示。024.1工業(yè)交換機概述圖4-1網(wǎng)絡拓撲結構024.1工業(yè)交換機概述首先按照網(wǎng)絡拓撲結構搭建網(wǎng)絡:用工業(yè)以太網(wǎng)線纜將上位機與SCALANCEXM408的P1端口相連,將SCALANCEXM408的P2端口與S71200的以太網(wǎng)接口相連,用戶也可以根據(jù)個人習慣使用SCALANCEXM408的其他端口與上位機、S71200相連。為了讓上位機能夠訪問交換機,需要把上位機的IP地址設為和交換機同一個網(wǎng)段,具體操作如下。第1步,利用控制面板打開“網(wǎng)絡和Internet”界面,選擇“網(wǎng)絡和共享中心”中的“查看網(wǎng)絡狀態(tài)和任務”選項,如圖4-2所示。圖4-2打開“網(wǎng)絡和Internet”界面024.1工業(yè)交換機概述第2步,打開“查看網(wǎng)絡狀態(tài)和任務”的界面以后,選擇“更改適配器設置”選項,如圖4-3所示。圖4-3“網(wǎng)絡和共享中心”界面024.1工業(yè)交換機概述第3步,打開“更改適配器設置”以后,選擇“以太網(wǎng)2”選項,右擊,彈出窗口如圖4-4所示。圖4-4查看“屬性”界面024.1工業(yè)交換機概述第4步,選擇“屬性”選項,打開“以太網(wǎng)2屬性”界面,如圖4-5所示。圖4-5“以太網(wǎng)2屬性”界面024.1工業(yè)交換機概述第5步,在打開的“以太網(wǎng)2屬性”界面中選擇“Internet協(xié)議版本4(TCP/IPv4)”選項,單擊“屬性”按鈕,彈出界面如圖4-6所示。圖4-6“Internet協(xié)議版本4(TCP/IPv4)屬性”界面024.1工業(yè)交換機概述設置正確的IP地址(20)和子網(wǎng)掩碼()后,單擊“確定”按鈕,返回圖4-5所示界面,單擊“確定”按鈕,完成上位機的IP設置。第6步,接通網(wǎng)絡電源并打開PST軟件,單擊菜單項“Network”下的子菜單“Browse”,PST軟件開始搜索設備,找到設備后如圖4-7所示。圖4-7搜索設備界面024.1工業(yè)交換機概述第7步,單擊“SCALANCEX-400”前的圖標,展開樹狀結構。選中“Ind.Ethernetinterface”選項,在右側界面中設置交換機的IP地址為1(IP地址的設置只需要和上位機在一個網(wǎng)段即可),子網(wǎng)掩碼設置為。同時可以設置設備的名稱,單擊“AssignName”按鈕即可完成。設備的名稱還可以通過“SCALANCEX-400”樹狀結構下