工廠自動化網絡知識培訓

SIEMENS

S7

PLC

通信

主講：王

兵

近年來，工廠自動化網絡得到了迅速的發(fā)展，相當多的企業(yè)已經在大量地使用可編程設備，如

PLC

、工業(yè)控制計算機、變頻器、機器人、柔性制造系統(tǒng)等。將不同廠家生產的這些設備連在一個網絡上，相互之間進行數(shù)據(jù)通信，由企業(yè)集中管理，已經是很多企業(yè)必須考慮的問題。通信：

當任意兩臺設備之間有信息交換時，它們之間就產生了通信。PLC

通信：

是指

PLC

與

PLC

、

PLC

與計算機、PLC

與現(xiàn)場設備或遠程

I/O

之間的信息交換。PLC

通信的任務：

就是將地理位置不同的

PLC

、計算機、各種現(xiàn)場設備等，通過通信介質連接起來，按照規(guī)定的通信協(xié)議，以某種特定的通信方式高效率地完成數(shù)據(jù)的傳送、交換和處理。通信方式?

并行通信與串行通信并行通信

是以字（

16

位）或字節(jié)（

8

位）為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式。串行通信

是以二進制的位（

Bit

即

1

位）

為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式。在控制中一般采用串行通信方式。?

單工與雙工通信單工通信：

只能沿單一方向傳送數(shù)據(jù)。雙工通信：

可以沿兩個方向傳送數(shù)據(jù)。

雙工方式又可以分為全雙工和半雙工方式。?

傳輸速率（波特率）300~38400

Bit

/S串行通信接口?

RS-232C

RS-232C

采用負邏輯，用

-5

～

-15

V

表示邏輯

“

1”

，

用

+5

～

+15

V

表示邏輯

“0”

。廣泛地用于計算機與終

端或外設之間的近距離通信。RS-232C

采用共地傳送方式，容易引起共模干擾。?

RS-422全雙工操作，兩對平衡差分信號線分別用于發(fā)送和接收。最大傳輸速率

10M

Bit

/S

。最大距離

1200M

。一臺驅動器可以連接

10

臺接收器。廣泛地用于計算機與終端或外設之間的遠距離通信。?

RS-485RS-485

是

RS-422

的變形。

RS-485

的邏輯

“1”

以兩線間的電壓差為

+

（

2~6

）

V

表示，邏輯

“0”

以兩線間的電壓差為

-

（

2~6

）

V

表示。半雙工四線操作，一對平衡差分信號線不能同時發(fā)送和接收。使用RS-485

接口和雙絞線可以組成串行通信網絡，構成分布式系統(tǒng)。系統(tǒng)中可以有

32

個站。新的接口器件已允許連接多達

128

個站?；鶐鬏斉c頻帶傳輸基帶傳輸：

按照數(shù)字信號原有的波形（以脈沖形式）在信道上直接傳輸，它要求信道具有較寬的通頻帶?；鶐鬏敃r，通常對數(shù)字信號進行一定的編碼再進行傳輸。基帶傳輸與頻帶傳輸頻帶傳輸：

是一種采用調制解調技術的傳輸形式。發(fā)送端采用調制手段，對數(shù)字信號進行某種變換，將代表數(shù)據(jù)的二進制

“1”

和

“0”

，變換成具有一定頻帶范圍的模擬信號，以適應在模擬信道上傳輸；接收端通過解調手段進行相反變換，把模擬的調制信號復原為

“1”

或

“0”

。常用的調制方法有頻率調制、振幅調制和相位調制。具有調制、解調功能的裝置稱為調制解調器，即

Modem

。PLC

通信中，基帶傳輸和頻帶傳輸兩種傳輸形式都有采用，但多采用基帶傳輸。通信介質：

是在通信系統(tǒng)中位于發(fā)送端與接收端之間的物理通路。通信介質一般可分為：導向性介質、非導向性介質導向性介質：

這種介質將引導信號的傳播方向，如：雙絞線、同軸電纜和光纖等；非導向性介質：

一般通過空氣傳播信號，它不為信號引導傳播方向，如短波、微波和紅外線通信等。開放系統(tǒng)互連模型國際化標準組織

ISO

提出的開放系統(tǒng)互連模型

OSI

。作為通信網絡國際標準化的參考模型。它詳細描述了軟件功能的

7

個層次。一類為面向用戶的第

5~7

層，另一類為面向網絡的第

1~4

層。應用層應用層作為

OSI

的最高層，定義用戶及應用程序接口與協(xié)議對網絡訪問的切入點，為用戶的應用服務提供信息交換，為應用接口提供操作標準。表示層表示層提供多種編碼用于應用層的數(shù)據(jù)轉化服務例如數(shù)據(jù)的加密

/

解密，信息的壓縮

/

解壓和數(shù)據(jù)兼容。把應用層提供的信息變成能夠共同理解的形式。會話層負責建立、管理和終止表示層的實體間通信會話，處理不同設備應用程序間的服務請求和響應。注意：不是所有的通信協(xié)議都需要

OSI

參考模型中的全部

7

層。例如有的現(xiàn)場總線通信協(xié)議只采用了

7

層協(xié)議中的第

1

，第

2

和第

7

層。傳送層建立會話連接。分配服務訪問點（

SAP-Service

Access

Point

，服務器訪問點）。允許數(shù)據(jù)進行可靠（

TCP-TransmissionControl

Protocol

，傳輸控制協(xié)議）或不可靠（

UDP-UserDatagram

Protocol

，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）的傳輸。網絡層網絡層的功能是報文包的分段

?

?

報文包的阻塞處理和通信子網絡的選擇。定義設備間通過邏輯地址（

IP-Internal

Protocol

,

因特網協(xié)議）傳輸數(shù)據(jù)，連接位于不同廣播域的設備，常用來組織路由。數(shù)據(jù)鏈路層確定傳輸站點物理地址以及將消息傳送到協(xié)議棧，提供順序控制和數(shù)據(jù)流控制。物理層為用戶提供建立

?

保持和斷開物理連接的功能。定義了傳輸介質、連接器和發(fā)生器的類型。規(guī)定了物理連接的電氣、機械功能特性如電壓、傳輸速率、傳輸距離等特性。（如

RS-232C

?RS-422

?

RS-485

）。星形拓撲：

每個節(jié)點都通過點

-

點連接到中央節(jié)點，任意兩站之間通信都要通過中央節(jié)點進行，所有通信均由中央節(jié)點控制，屬于集中式通信控制。其缺點是對中央節(jié)點依賴性過強。星形拓撲主要適用于低數(shù)據(jù)率設備。幾種網絡結構

總線拓撲：

在總線拓撲中，傳輸介質是一條總線，所有節(jié)點都連接到總線上。利用中繼器可延長總線的長度。一個站發(fā)送數(shù)據(jù)，所有其他站都能接收，因此所有節(jié)點共享一條傳輸鏈路。PLC

網絡較多采用總線結構形式。樹形拓撲：

樹形拓撲是總線拓撲的擴展形式。它適應性強，非常適合于分主次、分等級的層次型管理系統(tǒng)。環(huán)形拓撲：

環(huán)形拓撲指網絡中的中繼器進行點

-

點鏈路連接，構成一個封閉的環(huán)路，該鏈路是單向的，數(shù)據(jù)沿一個方向

(

順時針或逆時針

)

在網上環(huán)行。其特點是：網絡設備只是簡單的中繼器，工作站提供復雜拆包和存取控制功能。與其他網絡拓撲相比，環(huán)形拓撲能提供更大的吞吐量，可適用于工業(yè)環(huán)境。通信連接

通信連接是通信雙方為了執(zhí)行通信服務而進行的邏輯資源的分配。通信連接直接與通信服務相連，例如通信的地址、

SAP

(Service

Access

Point)

等。連接可以是直接建立也可以是在運行是建立。連接的類型1

：需要組態(tài)的連接2

：不需要組態(tài)的連接需要組態(tài)的連接：

在通信之前使用配置軟件如：

STEP

7中的

Netpro,

ProTool

等進行組態(tài)的的連接。在

CPU

或

CP啟動的時候建立連接并永久保持，稱為靜態(tài)連接。優(yōu)點：在操作中不可能中斷連接，保證通信的快速性。缺點：在沒有連接資源時不可以在和其他的設備通信。建立的通信連接不需要組態(tài)的連接：

通過用戶觸發(fā)建立的通信連接，通信的地址在通信塊中指定。稱為動態(tài)連接。優(yōu)點：在考慮同時使用最大連接數(shù)量以外，可以分批次建立更多的連接。缺點：在連接更多設備時，需要考慮通信的性能。通信方地址連接的類型通信服務需要組態(tài)的連接GDcommunicationS7communicationISOcommunicationISOonTCPcommunicationTCP/IPcommunicationFDLcommunicationITcommunication:FTP,SMTP,HTTPPROFInetOPcommunicationPROFIBUSDPUDPcommunication不需要組態(tài)的連接PGcommunicationS7basiccommunication通信連接Comm.

Conf.StandardsOpenCommunic.MPISIMATIC

S7通信

FDL

FMS

DPProfibusSIMATIC

通信服務

全局數(shù)據(jù)

PG

和

HMI

功能S7

基本通信

S7

擴展通信

ISO

傳輸TCP/ISO-on-TCP

UDP

MAP

3.0

Ethernet服務

通信服務以特定的性能指標來表示其通信能力，如：數(shù)據(jù)交換、控制設備、監(jiān)控設備和加載程序。全局數(shù)據(jù)

GD

（網絡中的全局數(shù)據(jù)）用于少量的數(shù)據(jù)交換（在

S7-400

中附加事件驅動）。S7

通信

在

SIMATIC

S7

連接中，這些通信工具都面向

S7

PLC

、

PG/PC

和

OP/TD

通信進行了最優(yōu)化。?

PG

功能；無需組態(tài)連接便可連接一個

PG

。?

HMI

功能；無需組態(tài)連接便可連接一個

OP

。?

基本的通信由包含在

CPU

的操作系統(tǒng)中的

SFC執(zhí)行。（

SFC

通信的運行無

需組態(tài)連接）。?

借助于

SFB

，可由已組態(tài)的連接實現(xiàn)擴展的通信。（

S7-400

可作為

客戶機

/

服務器

；

S7-300

只作為服務器）。FDL

（

SDA

）

用于在

SIMATIC

S7

和

S5

之間安全地傳輸中等數(shù)量的數(shù)據(jù)。對應于

Profibus

第

2

層的

Fieldbus

Data

Link

（

FDL

）。ISO-

傳輸、

TCP,

ISO-on-TCP

、

UDP

用于工業(yè)以太網上從SIMATIC

S7

向

PC

或者非西門子系統(tǒng)安全地傳輸中等數(shù)量

和大量的數(shù)據(jù)。使用功能

AG-SEND/RECV

或

AG-LSEND/LRECV

可在CPU

上實現(xiàn)

FDL

、

ISO

、

TCP

、

ISO-on-TCP

和

UDP

應用。

FMS

Fieldbus

Message

Specification

（

FMS

）使得智能伙伴之間面向對象的通信以及現(xiàn)場設備之間的通信成為可能。有關

FMS

（變量、域服務等）支持的應用請參照

EN

50170

Vol.

2

。MAP

該協(xié)議最初由美國汽車公司通用汽車開發(fā)，用于

PLC

系統(tǒng)之間面向對象的通信（

MAP=

Manufacturer

Automation

Protocol

）。DP

DP

（分布式

I/O

）協(xié)議最適合于對時間要求嚴格的、面向數(shù)據(jù)的、從智能控制單元（

DP

主站）到現(xiàn)場設備（

EN

50170

Vol.3

）的通信。使用MPI,

K-Bus,Profibus

或工業(yè)以太網使用MPI

或

K-Bus

面向

S7-300/400

的

S7

通信服務全局數(shù)據(jù)基本通信無需組態(tài)連接

程序控制擴展通信使用組態(tài)連接

程序控制CPU

的操作系統(tǒng)SFCSFCSFBSFB

CPU

的

操作系統(tǒng)PG

和

HMI

功能

CPU

的

操作系統(tǒng)

循環(huán)或

/

和程序控制使用

MPI

或者

K-Bus

總線

由操作系統(tǒng)控制

使用

MPI,

K-Bus,

Profibus

和

工業(yè)以太網SIMATIC

中的網絡-SINUMERIK,

RCM-TI

505-Other

PLCS7-300S7-400M7-400SIMATIC

S5PROFIBUS-DPET

200B/LET

200CDP/AS-I

LinkASI

(

執(zhí)行器、傳感器接口

)AS-I子模塊傳感器和執(zhí)行器AS-I

ASIC

現(xiàn)場設備AS-I

電源PROFIBUS

OPsMPI

Network工業(yè)以太網點對點PC,

OSPG單元級現(xiàn)場級AS-I

級1.

MPI

概述

MPI(Multi

Point

Interface)

是多點接口的簡稱，是當通信速率要求不高，通信數(shù)據(jù)量不大時可以采用的一種簡單經濟的通信方式。通過它可組成小型

PLC

通信網絡，實現(xiàn)

PLC

之間的少量數(shù)據(jù)交換，它不需要額外的硬件和軟件就可網絡化。每個S7-300

CPU

都集成了

MPI

通信協(xié)議

,MPI

的物理層是

RS-485

。通過

MPI

，

PLC

可以同時與多個設備建立通信連接，這些設備包括編程器

PG

或運行

STEP7

的計算機

PC

、人機界面（

HMI

）及其它

SIMATIC

S7

，

M7

和

C7

。同時連接的通信對象的個數(shù)與CPU

的型號有關。MPI

通信是當通信速率要求不高、通信數(shù)據(jù)量不大時，可以采用的一種簡單經濟的通信方式。MPI通信2.

MPI

網絡組建在一個

MPI

網絡里，最多可以有

9

個中繼器。1.PROFIBUS

簡介PROFIBUS

通信PROFIBUS

提供三種通信協(xié)議類型：

PROFIBUS-FMS

、PROFIBUS-DP

和

PROFIBUS-PA

。（

1

）

PROFIBUS-FMS

（

Fieldbus

Message

Specification

，現(xiàn)場總線報文規(guī)范），使用了第一層、第二層和第七層。第七層（應用層）包含

FMS

和

LLI

（底層接口）主要用于系統(tǒng)級和車間級的不同供應商的自動化系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)，處理單元級（

PLC和

PC

）的多主站數(shù)據(jù)通信。（

2

）

PROFIBUS-DP

（

Decentralized

Periphery

，分布式外部設備），使用第一層和第二層，這種精簡的結構特別適合數(shù)據(jù)的高速傳送，

PROFIBUS-DP

用于自動化系統(tǒng)中單元級控制設備與分布式

I/O

（例如

ET

200

）的通信。主站之間的通信為令牌方式，主站與從站之間為主從方式，以及這兩種方式的混合。（

3

）

PROFIBUS-PA

（

Process

Automation

，過程自動化）用于過程自動化的現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器的低速數(shù)據(jù)傳輸，使用擴展的

PROFIBUS-DP

協(xié)議。2.PROFIBUS

原理?允許若干個

DPM1

，典型的設備是

PLC,

PC+

DP-2

類主設備

(DPM2)?

組態(tài)、監(jiān)視或工程工具，它被用來設定網絡或

參數(shù)／監(jiān)視

DP-

從設備

+

DP-

從設備

?

直接連接

I/O

信號的外圍設備?典型的設備是輸入、輸出、驅動器、閥、操作面板等等3.PROFIBUS

設備類型

+

DP-1

類主設備

(DPM1)

?

中央控制器

,

它與分散的

I/O

設備

(DP-

從

)

交換數(shù)據(jù)4.PROFIBUS

總線的拓撲結構PROFIBUS

電氣接口網絡

RS485

中繼器功能在一條

PROFIBUS

總線上最多可以安裝

9

個

RS485

中繼器所謂工業(yè)以太網，通俗地講就是應用于工業(yè)的以太網，是指其在技術上與商用以太網（

IEEE802.3

標準）兼容，但材質的選用、產品的強度和適用性方面應能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。工業(yè)以太網技術的優(yōu)點表現(xiàn)在：以太網技術應用廣泛，為所有的編程語言所支持；軟硬件資源豐富；易于與Internet

連接，實現(xiàn)辦公自動化網絡與工業(yè)控制網絡的無縫連接；通信速度快；可持續(xù)發(fā)展的空間大等等。工業(yè)以太網通信以太網遵循

IEEE802.3

標準，可以在光纜和雙絞線上傳輸。它最早出現(xiàn)在

1972

年，由

Xerox

、

PARC

所創(chuàng)建。當前以太網采用星型和總線型結構，傳輸速率為

10Mb/s

，

100

Mb/s

，

1000

Mb/s

或更高。以太網利用了

CSMA/CD

（帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問）技術。