工厂自动化网络知识培训

SIEMENS

S7

PLC

通信

主讲：王

兵

近年来，工厂自动化网络得到了迅速的发展，相当多的企业已经在大量地使用可编程设备，如

PLC

、工业控制计算机、变频器、机器人、柔性制造系统等。将不同厂家生产的这些设备连在一个网络上，相互之间进行数据通信，由企业集中管理，已经是很多企业必须考虑的问题。通信：

当任意两台设备之间有信息交换时，它们之间就产生了通信。PLC

通信：

是指

PLC

与

PLC

、

PLC

与计算机、PLC

与现场设备或远程

I/O

之间的信息交换。PLC

通信的任务：

就是将地理位置不同的

PLC

、计算机、各种现场设备等，通过通信介质连接起来，按照规定的通信协议，以某种特定的通信方式高效率地完成数据的传送、交换和处理。通信方式•

并行通信与串行通信并行通信

是以字（

16

位）或字节（

8

位）为单位的数据传输方式。串行通信

是以二进制的位（

Bit

即

1

位）

为单位的数据传输方式。在控制中一般采用串行通信方式。•

单工与双工通信单工通信：

只能沿单一方向传送数据。双工通信：

可以沿两个方向传送数据。

双工方式又可以分为全双工和半双工方式。•

传输速率（波特率）300~38400

Bit

/S串行通信接口•

RS-232C

RS-232C

采用负逻辑，用

-5

～

-15

V

表示逻辑

“

1”

，

用

+5

～

+15

V

表示逻辑

“0”

。广泛地用于计算机与终

端或外设之间的近距离通信。RS-232C

采用共地传送方式，容易引起共模干扰。•

RS-422全双工操作，两对平衡差分信号线分别用于发送和接收。最大传输速率

10M

Bit

/S

。最大距离

1200M

。一台驱动器可以连接

10

台接收器。广泛地用于计算机与终端或外设之间的远距离通信。•

RS-485RS-485

是

RS-422

的变形。

RS-485

的逻辑

“1”

以两线间的电压差为

+

（

2~6

）

V

表示，逻辑

“0”

以两线间的电压差为

-

（

2~6

）

V

表示。半双工四线操作，一对平衡差分信号线不能同时发送和接收。使用RS-485

接口和双绞线可以组成串行通信网络，构成分布式系统。系统中可以有

32

个站。新的接口器件已允许连接多达

128

个站。基带传输与频带传输基带传输：

按照数字信号原有的波形（以脉冲形式）在信道上直接传输，它要求信道具有较宽的通频带。基带传输时，通常对数字信号进行一定的编码再进行传输。基带传输与频带传输频带传输：

是一种采用调制解调技术的传输形式。发送端采用调制手段，对数字信号进行某种变换，将代表数据的二进制

“1”

和

“0”

，变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；接收端通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为

“1”

或

“0”

。常用的调制方法有频率调制、振幅调制和相位调制。具有调制、解调功能的装置称为调制解调器，即

Modem

。PLC

通信中，基带传输和频带传输两种传输形式都有采用，但多采用基带传输。通信介质：

是在通信系统中位于发送端与接收端之间的物理通路。通信介质一般可分为：导向性介质、非导向性介质导向性介质：

这种介质将引导信号的传播方向，如：双绞线、同轴电缆和光纤等；非导向性介质：

一般通过空气传播信号，它不为信号引导传播方向，如短波、微波和红外线通信等。开放系统互连模型国际化标准组织

ISO

提出的开放系统互连模型

OSI

。作为通信网络国际标准化的参考模型。它详细描述了软件功能的

7

个层次。一类为面向用户的第

5~7

层，另一类为面向网络的第

1~4

层。应用层应用层作为

OSI

的最高层，定义用户及应用程序接口与协议对网络访问的切入点，为用户的应用服务提供信息交换，为应用接口提供操作标准。表示层表示层提供多种编码用于应用层的数据转化服务例如数据的加密

/

解密，信息的压缩

/

解压和数据兼容。把应用层提供的信息变成能够共同理解的形式。会话层负责建立、管理和终止表示层的实体间通信会话，处理不同设备应用程序间的服务请求和响应。注意：不是所有的通信协议都需要

OSI

参考模型中的全部

7

层。例如有的现场总线通信协议只采用了

7

层协议中的第

1

，第

2

和第

7

层。传送层建立会话连接。分配服务访问点（

SAP-Service

Access

Point

，服务器访问点）。允许数据进行可靠（

TCP-TransmissionControl

Protocol

，传输控制协议）或不可靠（

UDP-UserDatagram

Protocol

，用户数据报协议）的传输。网络层网络层的功能是报文包的分段

̖

̖

报文包的阻塞处理和通信子网络的选择。定义设备间通过逻辑地址（

IP-Internal

Protocol

,

因特网协议）传输数据，连接位于不同广播域的设备，常用来组织路由。数据链路层确定传输站点物理地址以及将消息传送到协议栈，提供顺序控制和数据流控制。物理层为用户提供建立

̖

保持和断开物理连接的功能。定义了传输介质、连接器和发生器的类型。规定了物理连接的电气、机械功能特性如电压、传输速率、传输距离等特性。（如

RS-232C

̖RS-422

̖

RS-485

）。星形拓扑：

每个节点都通过点

-

点连接到中央节点，任意两站之间通信都要通过中央节点进行，所有通信均由中央节点控制，属于集中式通信控制。其缺点是对中央节点依赖性过强。星形拓扑主要适用于低数据率设备。几种网络结构

总线拓扑：

在总线拓扑中，传输介质是一条总线，所有节点都连接到总线上。利用中继器可延长总线的长度。一个站发送数据，所有其他站都能接收，因此所有节点共享一条传输链路。PLC

网络较多采用总线结构形式。树形拓扑：

树形拓扑是总线拓扑的扩展形式。它适应性强，非常适合于分主次、分等级的层次型管理系统。环形拓扑：

环形拓扑指网络中的中继器进行点

-

点链路连接，构成一个封闭的环路，该链路是单向的，数据沿一个方向

(

顺时针或逆时针

)

在网上环行。其特点是：网络设备只是简单的中继器，工作站提供复杂拆包和存取控制功能。与其他网络拓扑相比，环形拓扑能提供更大的吞吐量，可适用于工业环境。通信连接

通信连接是通信双方为了执行通信服务而进行的逻辑资源的分配。通信连接直接与通信服务相连，例如通信的地址、

SAP

(Service

Access

Point)

等。连接可以是直接建立也可以是在运行是建立。连接的类型1

：需要组态的连接2

：不需要组态的连接需要组态的连接：

在通信之前使用配置软件如：

STEP

7中的

Netpro,

ProTool

等进行组态的的连接。在

CPU

或

CP启动的时候建立连接并永久保持，称为静态连接。优点：在操作中不可能中断连接，保证通信的快速性。缺点：在没有连接资源时不可以在和其他的设备通信。建立的通信连接不需要组态的连接：

通过用户触发建立的通信连接，通信的地址在通信块中指定。称为动态连接。优点：在考虑同时使用最大连接数量以外，可以分批次建立更多的连接。缺点：在连接更多设备时，需要考虑通信的性能。通信方地址连接的类型通信服务需要组态的连接GDcommunicationS7communicationISOcommunicationISOonTCPcommunicationTCP/IPcommunicationFDLcommunicationITcommunication:FTP,SMTP,HTTPPROFInetOPcommunicationPROFIBUSDPUDPcommunication不需要组态的连接PGcommunicationS7basiccommunication通信连接Comm.

Conf.StandardsOpenCommunic.MPISIMATIC

S7通信

FDL

FMS

DPProfibusSIMATIC

通信服务

全局数据

PG

和

HMI

功能S7

基本通信

S7

扩展通信

ISO

传输TCP/ISO-on-TCP

UDP

MAP

3.0

Ethernet服务

通信服务以特定的性能指标来表示其通信能力，如：数据交换、控制设备、监控设备和加载程序。全局数据

GD

（网络中的全局数据）用于少量的数据交换（在

S7-400

中附加事件驱动）。S7

通信

在

SIMATIC

S7

连接中，这些通信工具都面向

S7

PLC

、

PG/PC

和

OP/TD

通信进行了最优化。•

PG

功能；无需组态连接便可连接一个

PG

。•

HMI

功能；无需组态连接便可连接一个

OP

。•

基本的通信由包含在

CPU

的操作系统中的

SFC执行。（

SFC

通信的运行无

需组态连接）。•

借助于

SFB

，可由已组态的连接实现扩展的通信。（

S7-400

可作为

客户机

/

服务器

；

S7-300

只作为服务器）。FDL

（

SDA

）

用于在

SIMATIC

S7

和

S5

之间安全地传输中等数量的数据。对应于

Profibus

第

2

层的

Fieldbus

Data

Link

（

FDL

）。ISO-

传输、

TCP,

ISO-on-TCP

、

UDP

用于工业以太网上从SIMATIC

S7

向

PC

或者非西门子系统安全地传输中等数量

和大量的数据。使用功能

AG-SEND/RECV

或

AG-LSEND/LRECV

可在CPU

上实现

FDL

、

ISO

、

TCP

、

ISO-on-TCP

和

UDP

应用。

FMS

Fieldbus

Message

Specification

（

FMS

）使得智能伙伴之间面向对象的通信以及现场设备之间的通信成为可能。有关

FMS

（变量、域服务等）支持的应用请参照

EN

50170

Vol.

2

。MAP

该协议最初由美国汽车公司通用汽车开发，用于

PLC

系统之间面向对象的通信（

MAP=

Manufacturer

Automation

Protocol

）。DP

DP

（分布式

I/O

）协议最适合于对时间要求严格的、面向数据的、从智能控制单元（

DP

主站）到现场设备（

EN

50170

Vol.3

）的通信。使用MPI,

K-Bus,Profibus

或工业以太网使用MPI

或

K-Bus

面向

S7-300/400

的

S7

通信服务全局数据基本通信无需组态连接

程序控制扩展通信使用组态连接

程序控制CPU

的操作系统SFCSFCSFBSFB

CPU

的

操作系统PG

和

HMI

功能

CPU

的

操作系统

循环或

/

和程序控制使用

MPI

或者

K-Bus

总线

由操作系统控制

使用

MPI,

K-Bus,

Profibus

和

工业以太网SIMATIC

中的网络-SINUMERIK,

RCM-TI

505-Other

PLCS7-300S7-400M7-400SIMATIC

S5PROFIBUS-DPET

200B/LET

200CDP/AS-I

LinkASI

(

执行器、传感器接口

)AS-I子模块传感器和执行器AS-I

ASIC

现场设备AS-I

电源PROFIBUS

OPsMPI

Network工业以太网点对点PC,

OSPG单元级现场级AS-I

级1.

MPI

概述

MPI(Multi

Point

Interface)

是多点接口的简称，是当通信速率要求不高，通信数据量不大时可以采用的一种简单经济的通信方式。通过它可组成小型

PLC

通信网络，实现

PLC

之间的少量数据交换，它不需要额外的硬件和软件就可网络化。每个S7-300

CPU

都集成了

MPI

通信协议

,MPI

的物理层是

RS-485

。通过

MPI

，

PLC

可以同时与多个设备建立通信连接，这些设备包括编程器

PG

或运行

STEP7

的计算机

PC

、人机界面（

HMI

）及其它

SIMATIC

S7

，

M7

和

C7

。同时连接的通信对象的个数与CPU

的型号有关。MPI

通信是当通信速率要求不高、通信数据量不大时，可以采用的一种简单经济的通信方式。MPI通信2.

MPI

网络组建在一个

MPI

网络里，最多可以有

9

个中继器。1.PROFIBUS

简介PROFIBUS

通信PROFIBUS

提供三种通信协议类型：

PROFIBUS-FMS

、PROFIBUS-DP

和

PROFIBUS-PA

。（

1

）

PROFIBUS-FMS

（

Fieldbus

Message

Specification

，现场总线报文规范），使用了第一层、第二层和第七层。第七层（应用层）包含

FMS

和

LLI

（底层接口）主要用于系统级和车间级的不同供应商的自动化系统之间传输数据，处理单元级（

PLC和

PC

）的多主站数据通信。（

2

）

PROFIBUS-DP

（

Decentralized

Periphery

，分布式外部设备），使用第一层和第二层，这种精简的结构特别适合数据的高速传送，

PROFIBUS-DP

用于自动化系统中单元级控制设备与分布式

I/O

（例如

ET

200

）的通信。主站之间的通信为令牌方式，主站与从站之间为主从方式，以及这两种方式的混合。（

3

）

PROFIBUS-PA

（

Process

Automation

，过程自动化）用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输，使用扩展的

PROFIBUS-DP

协议。2.PROFIBUS

原理•允许若干个

DPM1

，典型的设备是

PLC,

PC+

DP-2

类主设备

(DPM2)•

组态、监视或工程工具，它被用来设定网络或

参数／监视

DP-

从设备

+

DP-

从设备

•

直接连接

I/O

信号的外围设备•典型的设备是输入、输出、驱动器、阀、操作面板等等3.PROFIBUS

设备类型

+

DP-1

类主设备

(DPM1)

•

中央控制器

,

它与分散的

I/O

设备

(DP-

从

)

交换数据4.PROFIBUS

总线的拓扑结构PROFIBUS

电气接口网络

RS485

中继器功能在一条

PROFIBUS

总线上最多可以安装

9

个

RS485

中继器所谓工业以太网，通俗地讲就是应用于工业的以太网，是指其在技术上与商用以太网（

IEEE802.3

标准）兼容，但材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要。工业以太网技术的优点表现在：以太网技术应用广泛，为所有的编程语言所支持；软硬件资源丰富；易于与Internet

连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接；通信速度快；可持续发展的空间大等等。工业以太网通信以太网遵循

IEEE802.3

标准，可以在光缆和双绞线上传输。它最早出现在

1972

年，由

Xerox

、

PARC

所创建。当前以太网采用星型和总线型结构，传输速率为

10Mb/s

，

100

Mb/s

，

1000

Mb/s

或更高。以太网利用了

CSMA/CD

（带冲突检测的载波监听多路访问）技术。