PLC通信网络课件

1、SIMATIC S7-300/400PLC原理及应用10/3/20221PLC通信网络 10/3/20222PLC通信网络 4 工业以太网2 多点接口 MPI3 PROFIBUS现场总线 1 工业自动化网络结构10/3/202231、 工业自动化网络结构 1现场设备层 主要功能是连接现场设备，例如分布式I/O、传感器、驱动器、执行机构和开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。 2车间监控层 车间监控层又称为单元层，用来完成车间主生产设备之间的连接，包括生产设备状态的在线监控、设备故障报警及维护等。还有生产统计、生产调度等功能。传输速度不是最重要的，但是应能传送大容量的信息。1.1 工厂自

2、动化网络结构10/3/202243工厂管理层 车间操作员工作站通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网，连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。 工厂自动化网络结构示意图如图1所示。图1 工厂自动化网络结构示意图10/3/202253工业以太网 西门子的工业以太网符合IEEE 802.3国际标准，通过网关来连接远程网络。10M/100M bit/s，最多1024个网络节点，网络的最大范围为150km。4点对点连接 点对点连接（Point-to-Point Connections）可以连接S7 PLC和其他串口设备。使用CP 340，C

3、P 341、CP 440、CP 441通信处理模块，或CPU 31xC-2PtP集成的通信接口。5通过AS-i网络的过程通信 AS-i是执行器-传感器接口（Actuator Sensor Interface）的简称，位于最底层。AS-i每个网段只能有一个主站。AS-i所有分支电路的最大总长度为100m，可以用中继器延长。可以用屏蔽的或非屏蔽的两芯电缆，支持总线供电。 10/3/202272 、 多点接口MPI2.1 MPI概述 MPI通信是一种比较简单的通信方式，MPI网络通信的速率是19.2kbit/s12 kbit/s，MPI网络最多支持连接32个节点，最大通信距离为50m，通信距离不远，

4、可通过中继器可以扩展通信距离，但中继器也占用节点。 西门子PLC S7-200/300/400 CPU上的RS485接口不仅是编程接口，同时也是一个MPI的通信接口，不增加任何硬件就可以实现PG/OP、全局数据通信及少数数据交换的S7通信功能。MPI网络接点通常可以挂S7PLC、人机界面、编程设备，智能型ET200S及RS485中继器等网络元器件。10/3/202282.2 MPI网络组态示例1. MPI网络的组态 在SIMATIC管理器中生成2个站，它们的CPU分别为CPU 413-2DP, CPU 315-2DP（如图6-2 ）。图2 在SIMATIC管理器中生成2个站10/3/20221

5、0 双击MPI图标，打开NetPro工具，打开CPU的属性设置对话框，设置MPI站地址。将CPU连接到MPI（1）子网上（如图3）。 保存CPU的配置参数，用点对点的方式将它们分别下载到各CPU中。图3 MPI网络的组态10/3/2022112. 生成和填写全局数据（GD）表 在“NetPro”窗口中用右键点击MPI网络线，在弹出的窗口中执行执行菜单命令“Options Define Global Data（定义全局数据）”同样的命令。 在表的第一行输入2个CPU的名称。 在每个CPU栏底下填上数据的发送区（绿色）和接收区（白色）。 鼠标右击CPU 413-2DP下面的第一个单元格，在出现的菜

6、单中选择“Sender”（发送者），输入要发送的全局数据的地址IW2。在每一行中只能有一个CPU发送方。同一行中各个单元的字节数应相同。 点击CPU 315-2DP下面的第一个单元格，输入QW6，该格的背景为白色，表示CPU 315-2DP是接收方。10/3/2022123设置扫描速率和状态双字的地址 执行菜单命令“ViewScan Rates”，每个数据包将增加标有“SR”的行，扫描速率单位是CPU的循环扫描周期，S7-300默认的扫描速率为8，S7-400的为22，用户可以修改。S7-400的扫描速率为0，表示是事件驱动的GD发送和接收。 GD数据传输的状态双字用来检查数据是否被正确地传送

7、，执行菜单命令“ViewStatus”，在出现的GDS行中可以给每个数据包指定一个用于状态双字的地址。最上面一行的全局状态双字GST是各GDS行中的状态双字相“与”的结果。 设置好扫描速率和状态字的地址后，应对全局数据表进行第二次编译。将配置数据下载到CPU中，以后可以自动交换数据。10/3/2022143 、 PROFIBUS现场总线 串行现场总线系统实现通信的自动化工厂与用传统方式安装的自动化工厂作一比较，前者的优越性十分明显。 使用工业现场总线技术，由于减少了用于连接分散的输入/输出设备的电缆，因此工厂的仪器设备的机械安装、连接和布线方面的成本特别低，对于这种技术有各种各样的现场设备可供

8、使用。3.1 PROFIBUS基础10/3/202215 ISO/OSI通信标准模型有7层组织，分为两类。一类是面向用户的第5层到第7层，另一类是面向网络的第1层到第4层。第1层到第4层描述数据从一个地方传输到另一个地方，而第5层到第7层给用户提供适当的方式去访问网络系统。3.1.2 协议结构和类型 从用户的角度看，PROFIBUS提供了三种通信协议类型：DP、FMS和PA。10/3/2022171. PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP使用了第1层、第2层和用户接口层。第3层到第7层未使用，这种精简的结构高速数据传输。直接数据链路映象程序（DDLM）提供对第2层的访问，在用户接口中

9、规定了PROFIBUS-DP设备的应用功能以及各种类型的系统和设备的行为特征。 这种为了高速传输用户数据而优化的PROFIBUS协议，特别适用于可编程序控制器与现场分散的I/O设备之间的通信。10/3/2022182. PROFIBUS-FMS PROFIBUS-FMS使用了第1层、第2层和第7层。应用层（第7层）包括FMS（现场总线报文规范）和LLI（低层接口），FMS包含应用协议和提供的通信服务)。LLI建立各种类型的通信关系，并给FMS提供不依赖于设备的对第2层的访问途径。 FMS的作用是处理单元级（PLC和PC）的数据通信，功能强大的FMS服务可在广泛的应用领域内使用，并为解决复杂通信

10、任务提供了很大的灵活性。 PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS使用相同的传输技术和总线存取协议。因此，它们可以在同一根电缆上同时运行。10/3/2022193. PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA使用扩展的PROFIBUS-DP协议进行数据传输。此外，它执行规定现场设备特性的PA设备行规。传输技术依据IEC61158-27标准，确保本质安全和通过总线对现场设备供电。使用段耦合器可将PROFIBUS-PA设备很容易地集成到PROFIBUS-DP网络之中。 PROFIBUS-PA是为过程自动化工程中的高速、可靠的通信要求而特别设计的。用PROFIBUS-PA可以把传感器和执

11、行器连接到普通的现场总线段上，即使在防爆区域的传感器和执行器也可如此。10/3/202220 （1）DP/FMS（RS485）的物理层（第1层） 对于屏蔽双绞电缆的基本类型来说，PROFIBUS的第1层实现对称的数据传输，符合EIARS4858标准（也称为H2）。一个总线段内的导线是屏蔽双绞电缆，段的两端各有一个终端器。传输速度从9.6kbps到12Mbps可选，所选用的波特率适用于连接到总线（段）上的所有设备。3.1.3 PROFIBUS层1.物理层（第1层）10/3/202221 （2）传输程序 用于PROFIBUS 485的传输程序是以半双工、异步、无间隙同步为基础的。 数据的发送用NR

12、Z（不归零）编码，即1个字符帧为11位（bit）。当发送位（bit）时，由二进制“0”到“1”转换期间的信号形式形状不改变。 在传输期间，二进制“1”对应于RxD/TxD-P（Receive/Transmit-Data-P）线上的正电位，而在RxD/TxD-N线上则相反。各报文间的空闲（idle）状态对应于二进制“1”信号。 在专用文献中，两根PROFIBUS数据线也常称之谓A线和B线。A线对应于RxD/TxD-N信号，而B线则对应于RxD/TxD-P信号。10/3/202222 表1中指出的最大数据线段长度系指PROFIBUS标准中电缆类型A的规定。在表2中列出了A型电缆的有关特性。 表2

13、PROFIBUS485A型电缆的规格浪涌阻抗135165，测量频率为320MHz时电缆电容 30F/m电缆类型双绞线，1回路电阻 110/km信号衰减9db屏 蔽铜网屏蔽10/3/202224 总线连接： 国际性的PROFIBUS标准EN50170推荐使用9针D型连接器（表3）用于总线站与总线的相互连接。D型连接器的插座与总线站相连接，而D型连接器的插头与总线电缆相连接。用黑体字标出的信号是强制性的，它们必须可以使用。 表3 9针D型连接器的针脚分配10/3/202225 （3）DP/FMS（光纤电缆）的物理层（第1层） PROFIBUS第1层的另一种类型是以PNO（Profibus用户组织）

14、的规则“用于PROFIBUS的光纤传输技术，（版本1.1，1993年7月版）”为基础的，它通过光纤导体中光的传输来传送数据。光纤电缆允许PROFIBUS系统站之间的距离最大到15km，同时光纤电缆对电磁干扰不敏感并能确保总线站之间的电隔离。近年来，由于光纤的连接技术已大大简化，因此这种传输技术已经普遍地用于现场设备的数据通信，特别是用于塑料光纤的简单单工连接器成为这一发展的重要部分。10/3/202227 （4） PA的物理层（第1层） PROFIBUS-PA采用符合IEC61158-2标准的传输技术，这种技术确保在本质安全并通过总线直接给现场设备供电。数据传输使用非直流传输的位的同步、曼彻斯

15、特编码线协议（也称H1编码）。用曼彻斯特编码传输数据时，信号沿从0变到1时发送二进制“1”。数据的发送采用对总线系统的基本电流调节的方法来实现，传输速率为31.25kbps。传输介质是屏蔽/非屏蔽双绞线。总线段的两端用一个无源的RC线中断器来终止，在一个PA总线段上最多可连接32个站。最大的总线段长度在很大程度上取决于供电装置、导线类型和所连接的站的电流消耗。10/3/202228 根据OSI参考模型，第2层规定了总线存取控制、数据安全性以及传输协议和报文的处理。在PROFIBUS中，第2层为FDL层（现场总线数据链路层）。 第2层报文格式提供高等级的传输安全性，所有报文均具有海明距离HD=4

16、。HD=4的含义是：在数据报文中，可以检查最多3个同时出错的位。这一要求是通过使用国际标准IEC870-5-1的规定、选择特殊的报文起始和终止标示符、使用无间隙同步以及使用奇偶校验位和控制字节来实现的。 2. 数据链路（第2层）10/3/202229 在广播通信中，一个主站发送信息给所有其他站（主站和从站），数据的接受不需应答。 在群播通信中，一个主站发送信息给一组站（主站和从站），数据的接收也不需要应答。 ISO/OSI参考模型的应用层（第7层）提供用户需要的各种通信服务。PROFIBUS的应用层由FMS接口（现场总线报文规范）和LLI接口（低层接口）组成。3.应用层（第7层） 10/3/2

17、022301RS485 PROFIBUS系统是一个两端有有源终端器的线性总线结构，亦称为RS485总线段。根据RS485标准，在一个总线段上最多可连接32个RS485站（也称“节点”）。与总线连接的每一个站，无论是主站还是从站，都表现为一个RS485电流负载。 对于PROFIBUS来说，RS485是最廉价的也是最常用的传输技术。3.1.4 总线拓扑10/3/202231 （1）中继器 在 一个PROFIBUS系统中需要连接的站多于32站时，必须将它分成若干个总线段。 在各个总线段上最多有32站，每个总线段彼此由中继器（也称线路放大器）相连接，中继器起放大传输信号的电平作用，。按照EN50170

18、标准，在中继器传输信号中不提供位相的时间再生（信号再生）。由于存在位信号的失真和延迟，因此EN50170标准限定串接的中继器数为3个。这些中继器单纯起线路放大器的作用。但实际上，在中继器线路上已实现了信号再生，因此可以串接的中继器个数与所采用的中继器型号和制造厂家有关。例如，由西门子生产的型号为6ES7972-OAAO-OXAO中继器，最多可串接9个。两个总线之间的最大距离与波特率有关。10/3/202232 中继器RS485的特性： 总线段1、PG/OP插座和总线段2彼此是电气隔离的。 总线段1、PG/OP插座和总线段2之间信号被放大和再生。 对于总线段1和2，中继器具有可连接的终端电阻。

19、去掉跨接桥M/PE后，中继器可以浮地运行。 在PROFIBUS配置中，只有使用中继器才能实现最大可能站数。此外，中继器开可以用来实现“树形”和“星形”总线结构。另外开可以是浮地的结构，在这种类型的总线结构中，总线段是彼此隔离的，且必须使用一个中继器和一个不接地的24V电源（见图2-13）。10/3/202233 对于RS485接口而言，中继器是一个附加的负载，因此在一个总线段内，每使用一个RS485中继器，可运行的最大总线站数就必须减少1。这样，如果此总线段包括一个中继器，则在此总线段上可运行的总线段数为31。由于中继器不占用逻辑的总线地址，因此在整个总线配置中的中继器数对最大总线站数无影响。

20、10/3/202234 （2）短截线 总线段与总线连接器的9针D型插头直接连接时，在总线系统的线性结构中将产生短截线。 尽管EN50170标准指出，传输速率为1500kbps时每个总线段短截线允许小于6.6m，但是通常在总线系统配置时最好尽量避免有短截线。一种例外是临时连接编程装置或诊断工具时可使用短截线。根据短截线的数量和长度，它可能会引起线反射从而干扰报文通信。当传输速率高于1500kbps时，不允许使用短截线。在有短截线的网络中，只允许编程装置和诊断装置工具通过“有源的 ”（active）总线连接导线与总线连接。10/3/2022352光纤 用于数据传输的光纤技术已经为新型的总线结构铺平

21、了道路（如环形结构、线形、树形或星形结构）。光链路模块（OLM）可以用来实现单光纤环和冗余的双光纤环。在单光环中，OLM通过单工光纤电缆相互连接，如果光纤电缆线断了或OLM出现了故障，则整个环路将崩溃。在冗余的双光纤环中，OLM通过两个双工光纤电缆相互连接，如果两根光纤线中的一个出了故障，它们将作出反应并自动地切换总线系统成线性结构。适当的连接信号指示传输线的故障并传送出这种信息以便一步处理。一旦光纤导线中的故障排除后，总线系统即返回到正常的冗余环状态。10/3/2022363符合IEC1158-2（PROFIBUS-PA）的总线拓扑 使用PROFIBUS-PA协议，可以实现线形、树形和星形总

22、线结构或它们的组合型结构。在一个总线段中可以运行的总线站数取决于所用的电源、总线站的电流消耗、所用总线电缆和总线系统的大小。在一个总线段上最多可连接32个站。为了增加系统的可靠性，总线段可以用冗余总线段作备份。段耦合器或DP/PA链接器用于PA总线段与DP总线段的连接。10/3/202237 PROFIBUS的总线存取控制满足了现场总线技术的两个主要应用领域的重要需求，这两个领域就是自动化制造工业和和自动化过程工业。一方面，同一级的可编程序控制器或PC之间的通信必须使每一个总线站（节点）在确定的时间范围内能获得足够的机会来处理它自己的通信任务。另一方面，复杂的PLC或PC与简单的分散的过程I/

23、O外围设备之间的数据交换必须是快速而又尽可能地实现很少的协议开销。 为此，PROFIBUS使用混合的总线存取控制机制来实现上述目标。它包括用于主动节点（主站）间通信的分散的令牌传递机制和用于主动站（主站）与被动站（从站）间通信的集中的主-从机制。3.1.5 PROFIBUS总线网络中的总线存取控制10/3/202238 当一个主动街点（总线站）获得了令牌，它就接手主站功能并在总线与其他从站和主站节点进行通信。在总线上的报文交换就是用节点编址的方法来组织的。每个PROFIBUS节点都有一个地址，而且此地址在整个总线上必须是唯一的。在一个总线内，最大可使用的站地址范围是在0到126之间。这就是说，

24、一个总线系统最多可以有127个节点（总线站）。 这种总线存取控方式允许有如下的系统配置： （1）纯主-主系统（令牌传递机制） （2）纯主-从系统（主-从机制） （3）两种程序的组合。10/3/2022391令牌总线机制 连接到PROFIBUS网络的主动节点（主站）按它的总线地址的升序组成一个逻辑令牌环。在逻辑令牌环中主动节点是一个接一个地排列的，控制令牌总线按这个顺序从一个站传递到下一个站。令牌提供存取传输介质的权力，并用特殊的令牌帧在主动节点（主站）间传递。具有总线地址HAS（最高站地址）的主动节点例外，它只传递令牌给具有最低总线地址的主动节点，以使逻辑令牌环闭合。10/3/202240 2

25、.主-从程序 一个网络中有若干个被动节点（从站），而它的逻辑令牌环只含有一个主动节点（主站），这样的网络称为纯主-从系统。 主-从程序允许主站（主动节点）当前有权将信息发送、存取指定给它的从站设备。这些从站是被动节点，主站可以发送信息给从站或从从站获取信息。 典型的PROFIBUS-DP总线配置是以此种总线存取机制为基础的。一个主动节点（主站）循环地与被动节点（DP从站）交换数据。10/3/202241 PROFIBUS-DP现场总线是一种开放式现场总线系统，符合欧洲标准和国际标准，PROFIBUS-DP通信的结构非常精简，传输速度和高且稳定，非常适合PLC与现场分散的I/O设备之间的通信。3

26、.2.1 PROFIBUS-DP通信网络简介3.2 PROFIBUS-DP现场总线组态示例10/3/202242 PROFIBUS-DP现场总线可用双绞屏蔽电缆、光缆或混合配置方式安装。PROFIBUS-DP现场总线网络中的节点共享传输介质，所以系统必须要控制对网络的访问。PROFIBUS-DP现场总线按“主/从令牌通行”访问网络，只有主动节点才有接收访问网络的权利，通过从一个主站将令牌传输到下一个主站来访问网络。如果不需要发送，令牌直接传输给下一个主站。被动的总线节点总是直接通过模块的轮询来分配。 PROFIBUS-DP现场总线网络由主站设备、从站设备和通信介质组成，是一个多主站的主从通信网

27、络。10/3/2022436.3.2.2 PROFIBUS-DP现场总线组态示例 本例主站为S7-300CPU，从站为ET200M。 利用PROFIBUS-DP接口连接远程I/O只用一根双绞屏蔽电缆即可。 新建项目“DP_ET200M”，插入S7-300站为主站，如图5所示。 图5 新建项目“DP_ET200M”10/3/202244 打开“Hardware”硬件组态，组态主站，并添加DP总线，如图6、7所示。图6 组态主站CPU添加DP总线10/3/202245图7 组态主站CPU生成DP总线10/3/202246 双击图7槽架上CPU的“DP”，出现图8所示画面。 图8 设置DP网络参数1

28、0/3/202247 打开属性，设置PROFIBUS-DP网络参数，定义DP为主站，如图9。图9 定义DP主站10/3/202248 在出现的PROFIBUS-DP网线上挂上IM153-1（ET200M）从站，并设置好网络参数，如图10所示。图10 组态从站参数10/3/202249 要注意设置站号3应该与ET200M（IM153-1）硬件上面的拨码数字相同，而且不能与其他的站号相同。 组态从站的硬件I/O，如图11所示。把组态好的整个系统编译存盘下载到S7-300CPU中即可。图11 组态从站硬件10/3/202250 在S7-300的CPU OB1中编写简单的测试程序，如图12所示。 图1

29、2 编写简单的测试程序 如果有很多的I/O从站，可以在PROFIBUS-DP网络上添加，从站个数的能力与CPU的类型有关，S7-300/400CPU最多可以带125个从站。10/3/2022514 、 工业以太网 随着计算机与网络技术的日益发展，工业自动化控制技术也随之产生了深刻的变革，控制系统的网络化、开放性的发展方向已成为当今自动化控制技术发展的主要潮流。以太网(Ethernet)作为目前应用最为广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用。同时，依靠以太网和Internet技术实现信息共享，能给办公自动化带来很大的变革，也必将对控制系统产生深远的影响。 4.1 工业以

30、太网概述 4.1.1 工业以太网简介 10/3/202252 由于世界上现有的现场总线产品种类较多（约40种，其中有8种现场总线符合IEC61158现场总线标准），且技术参差不齐，通用性、兼容性极差，使得现场总线技术的发展速度大大放慢。为了解决这一问题，人们开始寻求新的出路，即将现场总线转向Ethernet，用以太网作为高速现场总线框架，这样就可以使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很好地融合起来 。10/3/202253 工业以太网技术是普通以太网技术在控制网络延伸的产物。前者源于后者又不同于后者。以太网技术经过多年发展，特别是它在Internet中的广泛应用，使得它的技术更为成熟，并得

31、到了广大开发商与用户的认同。因此无论从技术上还是产品价格上，以太网较之其他类型网络技术都具有明显的优势。另外，随着技术的发展，工业控制网络与普通计算机网络、Internet的联系更为密切。工业控制网络技术需要考虑与计算机网络连接的一致性，需要提高对现场设备通信性能的要求，这些都是工业控制网络设备的开发者与制造商把目光转向以太网技术的重要原因。10/3/202254 为了促进以太网在工业领域的应用与发展，国际上成立了工业以太网协会（Industrial Ethernet association，IEA），以及工业自动化开放网络联盟（Industrial automation network al

32、liance，IAONA）等组织，目标是在世界范围内推进工业以太网技术的发展、教育和标准化管理，在工业应用领域的各个层次运用以太网。这些组织还致力于促进以太网进入工业自动化的现场级，推动以太网技术在工业自动化领域和嵌入式系统的应用。10/3/2022554.1.2 工业以太网的优点 1. 基于TCP/IP技术的工业以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题。 2. 工业以太网能便捷地访问远程系统，共享/访问多数据库。 3. 易于与Internet连接，能够在任何城市、地方利用电话线通过Internet对企业进行监控。 4. 能降低成本，包括技术人员的培训费用、维护费用及初期投资。 5. 工业以太网还能实现办公自动化网络与工业控制网络的有机结合。10/3/202256 1. 工业以太网技术上与IEEE802.3兼容，使用ISO