《电气控制基础与可编程控制器应用教程》课件第八章

8.1计算机的数据通信8.2现场总线与PROFIBUS总线8.3S7-300的通信与参数设置思考题与习题第8章可编程控制器的通信和网络组成

主要内容：

(1)掌握计算机通信基础知识。

(2)掌握PLC的通信功能和方式。

本章首先介绍计算机通信方式及可编程控制器通信中常用接口标准的基本概念，然后着重介绍现场总线的基本知识和PROFIBUS总线的概貌、组成、存取协议、在自动化控制系统中的位置及S7-300的常用通信网络；最后介绍S7-300的通信功能和参数设置。

随着计算机控制技术的发展、迅速推广和普及，相当多的企事业单位在大量地使用各式各样的可编程设备，如数控机床、工业控制计算机、PLC、各种机器人等。它们之间交换的信息都是由数字量“0”和“1”或模拟量经过转换后来实现的。所谓数据通信，是指通过计算机技术与通信技术的结合来实现信息的传输、交换、存储和处理。信道则是指数据传输信号的通路。8.1计算机的数据通信8.1.1计算机的通信方式

按传输方式的不同，计算机的通信方式分为以下几类。

1.并行通信与串行通信

并行数据通信是以字节或字为单位的数据传输方式，它可以一次同时传输多位二进制数。硬件连线时，除了8根或16根数据线、1根公共线外，还需要通信双方联络用的控制线。并行通信的特点是传送速度快，但是传输线的根数多，抗干扰能力较差，一般用于近距离数据传送。例如，PLC模块之间的数据传输及计算机与打印机、扫描仪之间的数据传输多采用并行通信。串口是计算机上一种通用的设备(它不同于通用串行总线或者USB口)。现在，基于RS-232C的串口已经成为计算机的标准配置。同时，串口也是仪器仪表设备通用的通信协议，很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。

串行通信指数据流(二进制)一位一位地传送，从发送端到接收端最少的只要1根传输线和1根控制线即可实现。其特点是需要的信号线少，适用于距离较远的场合，与并行通信相比传输速率较慢。计算机和PLC都有通用的串行通信接口，如RS-485或RS-232C接口。工业控制中计算机之间的通信一般采用串行通信。

2.异步通信与同步通信

在串行通信中，接收方的接收速率和发送方的发送速率应相同，但是实际的发送速率与接收速率之间总会有一些微小的差别，如果不采取措施，在连续传送大量信息时，将会造成信息累积、错位或丢失。为了解决这一问题，可以采用接收方对接收到的信息进行校验的办法来消除，也可以采用使发送过程和接收过程同步的办法来解决。按同步方式的不同可将串行通信分为异步通信和同步通信。

(1)异步通信是指把各个字符分开传输，字符与字符之间插入同步信息，如图8-1所示。

发送的字符由1个起始位、7或8个数据位、1个奇偶校验位(可以没有)和终止位(1位、1.5或2位)组成。在通信开始前，通信双方需要对所采用的信息格式和数据的传输速率作相同的约定。接收方检测到终止位或起始位之间的下降沿后，将它作为接收的起始点，在每一位的中点接收信息。由于在一个字符中包含的位数不多，即使发送方和接收方的收发频率略有不同，也不会因为两台设备之间时钟周期的积累误差而导致信息的发送和接收错位。异步通信的特点是：传送附加的非有效信息较多，传输效率较低，但是随着通信速率的提高，可以满足控制系统通信的要求。PLC多采用异步通信。

图8-1异步通信的信息格式奇偶校验的作用是检验所接收到的数据的正确性。奇校验是指发送方发送的每一个字符的数据位和奇偶校验位中“1”(奇校验时校验位的值是“1”，偶校验时校验位的值是“0”)的个数和为奇数；偶校验是指发送方发送的每一个字符的数据位和奇偶校验位中“1”的个数和为偶数。这样接收方对接收到的每一个字符中“1”的个数和的奇偶性进行校验，可以检验出传输过程中信息是否出错。例如，某字符中包含以下8个数据位：l0100011，其中“1”的个数是4个。如果选择奇校验，“1”个数和是5个，为奇数。如果接收到的数据中“1”的个数为偶数(采用奇校验)，则说明传输过程出错。当选择偶校验时，“1”的个数和仍然是4个。如果接收到的数据中“1”的个数为奇数(采用偶校验)，则说明传输过程出错。

(2)同步通信是指发送方在发送数据之前先发送1或2个同步字符，同步字符起联络作用，接收方只要检测同步字符，即可确认已进入同步状态，准备接收数据。同步通信以字节为单位，每次传送1或2个同步字符、若干个数据字节和校验字符。在同步通信中，发送方和接收方应保持完全同步，这意味着发送方和接收方应使用同一个时钟脉冲。同步传输的特点是传输效率高，对硬件要求高。

3.单工、半双工与全双工通信

(1)单工通信方式：在单工信道上信息只能往一个方向传送。发送方不能接收，接收方不能发送。

(2)半双工通信方式：在半双工信道上，通信双方可以交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。在一段时间内，信道的全部带宽用于一个方向上的信息传递。即用同一根数据线接收和发送数据，通信双方在同一时刻只能发送数据或接收数据，如图8-2所示。

(3)全双工通信方式：这是一种双向可同时进行信息传递的通信方式。数据的发送和接收分别由两根或两组不同的数据线传输，通信的双方都能在同一时刻接收和发送数据，如图8-3所示。

图8-2半双工通信方式

图8-3全双工通信方式

4.基带传输与频带传输

根据数据传输系统在传输终端形成数据信号的过程中是否搬移信号的频带和是否调制信号，可将数据传输系统分为基带传输和频带传输。

基带传输是指数据传输系统对信号不做任何调制，直接传输的数据传输方式。在PLC网络中，大多数信息采用基带传输，对二进制数字信号不进行任何调制，按它们原有的脉冲形式直接传输。又因整个频带范围都用来传输某一数字信号(即单信道)，故多用在半双工通信中。频带传输是指把信号调制到某一频带上的传输方式。当进行频带传输时，用调制器把二进制信号调制成能在电话线路上传输的音频信号(模拟信号)，从而在通信线路上进行传输。接收端接收到信号后经过解调再把音频信号还原成数字信号，常用于全双工通信。8.1.2通信中的传输速率与传输介质

1.传输速率

传输速率是指单位时间内传输的信息量，它是衡量系统传输速度快慢的主要指标。

在串行通信中，传输速率又称波特率。常用的传输速率为300～384 00 b/s(即每秒中传输300～38400位二进制数)。在数据传输中有三种速率：数据传输速率、数据信号速率和调制速率。

(1)数据传输速率是指单位时间内传输的数据量，数据量的单位可以是比特、字符等。数据传输速率通常以字符/分钟为单位。例如：使用数据信号速率为1200 b/s的传输电路，按起止同步方式来传输ASCII数据时，其数据传输速率为

母中的“2”是附加的起始位和终止位。

(2)数据信号速率是单位时间内通过某一信道的数据量，单位是比特/秒(b/s)。

(3)调制速率也称码元速率，是指脉冲信号经过调制后的传输速率。

2.传输介质

目前，普遍使用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光缆，其他介质(如无线电、微波等)在PLC网络中应用较少。其中双绞线成本低、安装简单、有阻燃性，同时具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。光缆尺寸小、重量轻、传输距离远，但成本高，安装维修需专门仪器。8.1.3PLC通信中常用的接口标准

在可编程控制器通信中，不管是可编程控制器与可编程控制器之间，还是计算机与可编程控制器之间，因传输距离较远且为避免采用并行通信时复杂的接线，所以多采用串行通信。计算机与可编程控制器上面都有通用的串行通信接口(如RS-232C、RS-485等)。接口是DTE(DataTerminalEquipment，指一般的数据终端设备或是计算机)与DCE(DataCircuit-terminatingEquipment，通常指调制解调器，多路复用器或数字设备)之间的界面。为了使不同厂家的产品能够互换或互连，DTE与DCE在插接方式、引线分配、电气特性及应答关系上均应符合统一的标准和规范，这一套标准规范就是DTE/DCE的接口标准(或称接口协议)。互连的设备在接口的标准上必须一致，这对于数据通信中其他通信层次具有相同的含义，不仅仅局限于物理层。并且每种接口都有其自己的接口标准，不兼容的接口之间相互连接时不能互相通信。

1. RS-232C

1969年，美国EIA(ElectronicIndustriesAssociation)电子工业协会公布的RS-232C通信协议至今仍在计算机和PLC中广泛使用，它是一种串行通信接口。RS-232C也是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准，有许多用途，比如连接鼠标、打印机或者Modem，同时也可以接工业仪器仪表，用于驱动和连线的改进。实际应用中，RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。在RS-232C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即用-15～-5V表示逻辑“1”，用+5～+15V表示逻辑“0”。噪声容限为2V，即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3 V的信号作为逻辑“1”。RS-232C接口的物理结构连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座，通常插头在DCE端，插座在DTE端。一些设备与PC机连接的RS-232C接口，因为不使用对方的传送控制信号，故只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。工业控制多采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。DB-9针连接头从计算机连出的线的截面及PLC与计算机信号连接图如图8-4所示。

图8-4DB-9针连线截面图及PLC与计算机信号连接图

RS-232C各针脚的功能如下：

TxD(pin3)为串口数据输出；RxD(pin2)为串口数据输入；RTS(pin7)为发送数据请求；CTS(pin 8)为清除发送；DSR(pin

6)为数据发送就绪；DCD(pin1)为载波检测；DTR(pin

4)为数据终端就绪；GND(pin

5)为地线；RI(pin

9)为铃声指示。

RS-232C的最大通信距离为15m，最高传输速率为20 kb/s，只能进行一对一的通信。下面我们根据图8-5所示RS-232C的远程连接和近地连接更深刻地了解它。图8-5(a)给出了两台远程计算机通过电话网相连的结构图。从图中可以看出，DTE实际上是数据的信源或信宿，而DCE则完成数据由信源到信宿的传输任务。RS-232C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信，与连接在两个DCE之间的电话网没有直接的关系。图8-5(b)所示用于直接连接两台近地设备，此时既不使用电话网也不使用调制解调器。由于这两种设备必须分别以DTE和DCE方式成对出现才符合RS-232C标准接口的要求，因此在这种情况下要借助于一种采用交叉跳接信号线方法的连接电缆，使得连接在电缆两端的DTE通过电缆看对方都好像是DCE一样，从而满足RS-232C接口需要DTE-DCE成对使用的要求。这根连接电缆也称做零调制解调器(NullModem)。

图8-5RS-232C的远程连接和近地连接(a)远程连接；(b)近地连接图8-6RS-485组成的串行通信网络

2. RS-422A

RS-422A标准(EIA

RS-422A

Standard)是Apple的Macintosh计算机的串口连接标准。RS-422A使用平衡驱动、差分信号接收电路，从根本上取消了地线。而RS-232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号，与RS-232C相比，它有较强的抗噪声和更远的传输距离。

RS-422A在最大传输速率(10Mb/s)时，允许的最大通信距离为12 m；传输速率为

100 kb/s时，最大通信距离为1200 m。一台驱动器可以连接10台接收机。在RS-422A模式，数据通过4根导线传送(四线操作)。RS-422A是全双工，两对平衡差分信号线分别用于发送与接收。

3. RS-485

RS-485(EIA-485标准)是RS-422A的改进。RS-485为半双工，只有一对平衡差分信号线，不能同时发送和接收。使用RS-485通信接口和双绞线可以组成串行通信网络(如图8-6所示)，构成分布式系统，系统中站的个数从10个增加到32个，新的接口器件已允许连接128个站。它同时定义了在最多设备个数情况下的电气特性，以保证足够的信号电压。有了多个设备的能力，就可以使用一个单个RS-422A接口建立设备网络。除了抗噪和多设备能力，在工业应用中，建立连向PC机的分布式设备网络、其他数据收集控制器、HMI或者其他操作时，串行连接会选择RS-485。RS-485是RS-422A的超集，可以说所有的RS-422A设备都能被RS-485控制。RS-485可以用超过1200 m的线进行串行通信。

RS-422A和RS-485的引脚功能如表8-1所示。

表8-1RS-422A和RS-485的引脚功能

IEC(国际电工委员会)对现场总线(Fieldbus)的定义是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”。IEC的现场总线国际标准(IEC61158)中有8种现场总线类型，其中德国西门子公司的产品支持PROFIBUS总线。8.2现场总线与PROFIBUS总线PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备之间的通信。PLC与计算机、其他智能设备及其他PLC之间可以直接进行通信，也可以通过由通信处理单元、通信控制器或路由器等相连构成的网络来实现信息交换。在工业控制中，将各个PLC或远程I/O模块按功能布置在生产现场，控制各自的设备，然后用网络连接起来形成集中管理的分布式网络系统，这样就组成了一个工厂自动化通信网络。8.2.1现场总线的基本知识

1.现场总线技术的由来及定义

随着大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备都具有智能化，即内置了CPU控制器。为了完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能，对这些智能现场设备增加一个串行数据接口(如RS-232/485)是非常方便的。有了这样的接口，控制器就可以按其规定的协议，通过串行通信方式完成对现场设备的监控了。如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口和统一的通信协议，则控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备的监控，这就是现场总线技术的初始想法。基于这些想法，即使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是I/O(4～20mA/24VDC)信号，而是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统也就形成了现场总线技术。目前，行业公认的现场总线技术概念是：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置及系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者说现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现信息的相互交换，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

2.现场总线技术产生的意义

(1)现场总线(Fieldbus)技术是实现现场级与车间级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备(智能化、带有通信接口)连接，用数字化通信代替4～20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。

(2)传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的I/O(4～20mA/24VDC)信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的“信息瓶颈”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。

(3)基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。

3.基于现场总线的自动化通信网络的主要优点

(1)增强了现场级信息集成能力。现场总线可从现场设备获取大量的信息，能够更好地满足工厂自动化及系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4～20mA信号，也可实现设备状态、故障、参数的信息传送。系统除完成远程控制外，还可完成远程参数化工作。

(2)开放式、互操作性、互换性、可集成性。不同厂家的产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其他厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。

(3)系统可靠性高、可维护性好。基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。

(4)降低了系统及工程成本。对大范围、大规模I/O分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。8.2.2PROFIBUS总线概况及组成

1. PROFIBUS的概况

PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域。

PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP(DecentralizedPeriphery)、PROFIBUS-PA(ProcessAutomation)和PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification)。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分布式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可代替4～24 VDC或4～20 mA的信号传输。PROFIBUS-PA是专为过程自动化设计的，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并要保证安全规范。PROFIBUS-FMS可用于车间级监控网络，是一个令牌结构的实时多主网络。

PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。它可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。与其他现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。S7-300/400 PLC可以通过通信处理器或集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS-DP网络上。目前PROFIBUS总线有以下应用领域：

(1)制造业自动化：汽车制造(机器人、装配线、冲压线等)、造纸、纺织；

(2)过程控制自动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒；

(3)电力：发电、输配电；

(4)楼宇：空调、风机、照明；

(5)铁路交通：信号系统。

2. PROFIBUS的组成

PROFIBUS由PROFIBUS-PA、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS三大部分组成。其各自的功能和特点分述如下：

1) PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA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协议可描述现场设备行为的PA行规。同时，PROFIBUS-PA在传输技术上执行了IEC 1158-2标准，所以可用于防爆区域的传感器和执行器与中央控制系统的通信。PROFIBUS-PA设备可以通过分段式耦合器很方便地集成到PROFIBUS-DP网络中。

PROFIBUS-PA使用屏蔽的双绞线电缆，由总线提供电源。在危险区域每个DP/PA链路可以连接15个现场设备，在非危险区域每个DP/PA链路可以连接31个现场设备。

PROFIBUS-PA适用于PROFIBUS的过程自动化。PA将自动化系统和过程控制系统与压力、温度和液位变送器等现场设备连接起来，可用来替代4～20 mA的模拟技术。PROFIBUS-PA具有如下特性：

(1)适合过程自动化应用的行规，使不同厂家生产的现场设备具有互换性。

(2)增加和去除总线站点，即使在本征安全地区也不会影响到其他站。

(3)在过程自动化的PROFIBUS-PA段与制造业自动化的PROFIBUS-DP总线段之间通过耦合器连接，可实现两段间的透明通信。

(3)使用与IEC1158-2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送。

(4)在潜在的爆炸危险区可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。

PROFIBUS-PA传输协议：PROFIBUS-PA采用PROFIBUS-DP的基本功能来传送测量值和状态，并用扩展的PROFIBUS-DP功能来制订现场设备的参数，进行设备操作。PROFIBUS-PA第一层采用IEC1158-2技术，第二层和第一层之间的接口在DIN19245系列标准的第四部分做出了规定。

PROFIBUS-PA行规：PROFIBUS-PA行规保证了不同厂商所生产的现场设备的互换性和互操作性，它是PROFIBUS-PA的一个组成部分。PA行规的任务是选用各种类型现场设备真正需要通信的功能，并提供这些设备功能和设备行为的一切必要规格。目前，PA行规已对所有通用的测量变送器和其他选择的一些设备类型作了具体规定，这些设备如测压力、液位、温度和流量的变送器，数字量输入和输出，模拟量输入和输出，阀门，定位器等。

2) PROFIBUS-DP

PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分布式I/O的通信。使用它可代替4～24 VDC或4～20 mA的信号传输。PROFIBUS-DP特别适合于PLC与现场级分布式I/O设备之间的通信。主站与主站之间的通信为令牌方式，主站与从站之间为主从方式与令牌方式相结合的通信方式。S7-300系列PLC有的配备有集成的PROFIBUS-DP接口，S7-300/400也可以通过通信处理器(CP)连接到PROFIBUS-DP网络。

PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传送，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。

PROFIBUS-DP的基本功能如下：

(1)传输技术：利用RS-485双绞线、双线电缆或光缆进行数据传输，波特率从9.6kb/s到12Mb/s。

(2)总线存取：各主站间令牌传递，主站与从站间为主从传送。支持单主或多主系统；总线上最多站点(主-从设备)数为126。

(3)通信：点对点(用户数据传送)或广播(控制指令)。循环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送。

(4)运行模式：运行、清除、停止。

(5)同步：控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。

(6)功能：DP主站和DP从站间的循环用户数据传送；各DP从站的动态激活，DP从站组态的检查；强大的诊断功能，三级诊断信息；输入或输出的同步；通过总线给DP从站赋予地址；通过总线对DP主站(DPM1)进行配置；每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。

(7)可靠性和保护机制：所有信息的传输按海明距离(HD=4)进行；DP从站带看门狗定时器(WatchdogTimer)；对DP从站的输入/输出进行存取保护；DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。

(8)设备类型：第二类DP主站(DPM2)是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类DP主站(DPM1)是中央可编程控制器，如PLC、PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入/输出的驱动器、阀门等。

PROFIBUS-DP基本特征如下：

(1)速率：PROFIBUS-DP协议支持9600kb/s～12Mb/s的波特率。在一个有着32个站点的分布式系统中，PROFIBUS-DP对所有站点传送512 b/s输入和512 b/s输出。

(2)诊断功能：经过扩展的PROFIBUS-DP诊断能对故障进行快速定位，诊断信息在总线上传输并由主站采集。

3) PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-FMS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的数据传输，及解决车间监控级通信。在这一层，中央控制器之间需要比现场层更大量的数据传输，但通信的实时性要求低于现场层。

PROFIBUS-FMS应用层提供了供用户使用的通信服务。这些服务包括访问变量、程序传递、事件控制等。

PROFIBUS-FMS应用层包括下列两部分：

(1)现场总线信息规范(FieldbusMessageSpecification，FMS)：描述了通信对象和应用服务。

(2)低层接口(LowerLayerInterface，LLI)：FMS服务到第二层的接口。

PROFIBUS-FMS通信模型：PROFIBUS-FMS利用通信关系将分散的应用过程统一到一个共用的过程中。在应用过程中，可用来通信的那部分现场设备称虚拟设备(VirtualFieldDevice，VFD)。在实际现场设备与VFD之间可以设立一个通信关系表。通信关系表是VFD通信变量的集合，如零件数、故障率、停机时间等。VFD通过通信关系表完成对实际现场设备的通信。8.2.3PROFIBUS总线在工厂自动化系统中的位置

一个典型的工厂自动化系统应该是现场级、车间级和工厂级的三级网络结构。基于现场总线PROFIBUS-DP/PA控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。现场总线PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络。如图8-7所示为现场总线在工厂自动化系统中的位置。

图8-7PROFIBUS总线在自动化系统中的位置

1.现场级

现场级的主要功能是连接现场设备(如分布式I/O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等)，完成现场设备控制及设备间连锁控制。主站(PLC、PC机或其他控制器)负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备的生产工艺控制程序都存储在主站中，并由主站执行。

2.车间级

车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接和车间级设备的监控，如一个车间三条生产线主控制器之间的连接与监控。车间级监控包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等。车间级监控还具有诸如生产统计、生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控室，包括操作员工作站及打印设备。车间级监控网络可采用PROFIBUS-FMS或工业以太网。PROFIBUS-FMS是一个多主网，这一级数据传输速度不是最重要的，但是能够传送大容量的信息。

3.工厂级

车间操作员工作站可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。子网通过交换机、网桥或路由器等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理。

车间管理层就是通常所说的工业以太网，即IEC802.3TCP/IP的通信协议标准。厂区骨干网可根据工厂实际情况，采用如FDDI或ATM等网络。西门子的工业以太网中采用了以下新技术：

(1)交换技术(Switching)。交换技术用开关将一个网络分成若干段，降低了网络通信负载。在每个独立的段中，本地数据通信独立于其他段，因此可以在不同的段内同时发送数据。

(2)消除冲突的全双工模式。全双工快速以太网链路的数据传输速率可达到200 Mb/s，从而提高了数据的吞吐量。

(3)自适应。网络节点可自动识别信号传输速率(10 Mb/s或100  Mb/s)，可根据以太网的配置协议实现对自动协商的支持。8.2.4PROFIBUS总线的存取协议与传输技术

1. PROFIBUS总线的存取协议

(1)三种PROFIBUS(DP、FMS、PA)均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI参考模型第二层(数据链路层)来实现的，它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。

(2)在PROFIBUS中，第二层称为现场总线数据链路层(FieldbusDataLink，FDL)。介质存取控制(MediumAccessControl，MAC)具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。

(3) PROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制的两个基本要求：

①在复杂的自动化系统(主站)间通信，必须保证在确切限定的时间间隔，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。

②在复杂的程序控制器和简单的I/O设备(从站)间通信，应尽可能快速、简单地完成数据的实时传输。

因此，PROFIBUS总线存取协议是主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。

(4)令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权(令牌)。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。

(5)主站得到总线存取令牌时，可与从站通信。每个主站均可向从站发送或读取信息，因此有以下三种系统配置：

①纯主-从系统；

②纯主-主系统；

③混合系统。

图8-8所示为一个由3个主站、7个从站构成的PROFIBUS系统。图8-83个主站、7个从站构成的PROFIBUS系统

3个主站之间构成逻辑令牌环。当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主-从通信关系表与所有从站通信，也可依照主-主通信关系表与所有主站通信。

2. PROFIBUS总线的传输技术

PROFIBUS提供了三种数据传输类型，即用于DP/FMS的RS-485传输、用于PA的IEC1158-2传输和光纤传输。

1)用于DP/FMS的RS-485传输技术

由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因此，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。

RS-485传输技术的基本特征如下：

(1)网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。

(2)传输速率：9.6kb/s～12Mb/s。

(3)介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，这取决于环境条件(EMC)。

(4)站点数：每分段32个站(不带中继)，可多到127个站(带中继)。

(5)插头连接：最好使用9针D型插头。

2)用于PA的IEC1158-2传输技术

(1)数据IEC1158-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。

(2) IEC1158-2是一种位同步协议。

(3) IEC1158-2技术用于PROFIBUS-PA，其传输以下列原理为依据：

①每段只有一个电源作为供电装置。

②当站收发信息时，不向总线供电。

③每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。

④现场设备的作用如同无源的电流吸收装置。

⑤主总线两端起无源终端线作用。

⑥允许使用线型、树型和星型网络。

⑦为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。

⑧为了达到调制的目的，假设每个总线站至少需用10  mA的基本电流才能使设备启动。通信信号的发生是通过发送设备的调制，从±9mA到基本电流之间。

(4) IEC1158-2传输技术特性如下：

①数据传输：数字式、位同步、曼彻斯特编码。

②传输速率：31.25kb/s，电压式。

③数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符，以避免误差。

④电缆：双绞线、屏蔽式或非屏蔽式。

⑤远程电源供电：可选附件，通过数据线。

⑥防爆性：能进行本征及非本征安全操作。

⑦拓扑：线型或树型，或两者相结合。

⑧站数：每段最多32个，总数最多为126个。

⑨中继器：最多可扩展至4台。

3)光纤传输技术

(1) PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。

(2)可使用两种光纤导体。一种是价格低廉的塑料纤维导体，供距离小于50  m的情况下使用；另一种是玻璃纤维导体，供距离大于1km的情况下使用。

(3)许多厂商提供专用总线插头，可将RS-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485信号。8.2.5 S7-300/400的通信网络

1.通过多点接口(MPI)协议的数据通信

MPI是MultiPointInterface的缩写，每个S7-300/400CPU都集成了多点接口通信协议，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。可以连接的设备包括编程器或者是运行STEP7的计算机、人机界面(HMI)及其他SIMATICS7、M7和C7。同时，连接的通信对象的个数与CPU的型号有关，例如CPU312为6个，CPU418为64个。西门子有两种硬件MPI连接器，一种带有PG(编程器)接口，一种没有PG接口。在计算机上应插一块MPI卡，或使用PC/MPI适配器。位于网络终端的站，应将其连接器上的“终端电阻”开关合上，以接入终端电阻。通过MPI可以访问PLC所有的智能模块，例如功能模块。同时，STEP7的用户界面提供了全局数据组态功能，使得通信的组态非常简单。联网的CPU可以通过MPI接口实现全局数据(GD)服务，周期性地相互交换少量的数据，最多可以与在同一个项目中的15个CPU之间建立全局数据通信。

每个MPI节点都有自己的MPI地址(0～126)，编程设备、人机接口和CPU默认地址分别为0、1、2。在S7-300中，MPI总线在PLC中与K总线(通信总线)连接在一起，S7-300机架上的K总线的每一个节点(功能模块FM和通信处理器CP)也是MPI的一个节点，有自己的MPI地址。

MPI默认的传输速率为187.5kb/s或1.5Mb/s，与S7-200通信时只能指定为19.2kb/s。两个相邻节点间的最大传送距离为50m，加中继器后为1000m，使用光纤和星型连接时为23.8km。通过MPI接口，CPU可以自动广播其总线参数组态(例如波特率)。然后CPU可以自动检索正确的参数，并连接到一个MPI子网。

2. PROFIBUS

PROFIBUS是用于车间级监控和现场层的通信系统，符合IEC61158标准。它具有开放性，符合该标准的各厂商生产的设备都可以接入同一网络中。S7-300/400PLC可以通过通信处理器或集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS-DP网络上。

3.点对点连接

点对点连接可以连接两台S7PLC和S5PLC，以及计算机、打印机、机器人控制系统、扫描仪等西门子设备。使用CP340、CP341和CP441通信处理模块，或通过CPU313C-2PtP和CPU314C-PtP集成的通信接口，可以建立起既经济又方便的点对点连接。点对点通信可以提供的接口有20mA(TTY)、RS-232C和RS-422A及RS-485。全双工模式RS-232C的最高传输速率为19.2  kb/s，半双工模式(RS-485)的最高传输速率为38.4  kb/s。使用西门子的通用软件PRODAVE和编程用的CP/MPI适配器，通过PLC的MPI编程接口，可以很方便地实现计算机与S7-300/400的通信。

4.工业以太网

工业以太网是用于工厂管理和单元层的通信系统，符合IEEE  802.3国际标准。它用于对时间要求不太高，但需要传送大量数据的通信场合。它可以通过网关来连接远程网络。它支持广域的开放型网络模型，可使用多种传播媒体。西门子的工业以太网的传播速率为10/100Mb/s，最多1024个网点，网络的最大范围为150km。

西门子的S7和S5这两代PLC通过PROFIBUS(FDL协议)或工业以太网ISO协议，利用S7和S5的通信服务进行数据交换。CP通信处理器不会加重CPU的通信服务负担。S7-300最多可以使用8个通信处理器，每个通信处理器最多可以建立16条链路。

5.通过AS-i的过程通信

执行器-传感器接口(ActuatorSensor-Interface)简称AS-i。它是位于自动控制系统最底层的网络，用来连接有AS-i接口的现场二进制设备，但只能传输少量的数据，例如开关的状态。

CP342-2通信处理器是用于S7-300和分布式I/OET200M的AS-i主站，它最多可以连接62个数字量或31个模拟量AS-i从站。通过AS-i接口，每个CP最多可以访问248个数字量输入和186个数字量输出。8.2.6PROFIBUS特点综述

与其他现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和楼宇自动化等。PROFIBUS的开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中，PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场份额超过40%。PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。

S7-300有很强的通信功能，每个S7-300CPU模块上都集成有一个MPI接口和一个编程用的RS-485接口(CPU314以下只有一个接口)，有的CPU模块还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口、PtP(点对点)串行通信接口、MPI/DP接口及DP接口等。S7-300CPU通过PROFIBUS-DP或AS-i现场总线与分布式的I/O模块之间进行周期性地自动交换数据。自动化系统之间及PLC计算机和HMI(人机接口)站之间，均可以交换数据，数据通信可以周期性地自动进行，或基于事件驱动(由用户程序调用)。8.3S7-300的通信与参数设置

S7/C7通信对象的通信服务通过集成在系统中的功能块来进行。系统中的功能块可以提供的通信服务有：

(1)使用MPI的标准S7通信。

(2)使用MPI、K总线、PROFIBUS-DP和工业以太网的S7通信(此时，S7-300只能作服务器)。8.3.1S7-300的通信功能与分类

为方便用户使用，STEP7的用户界面提供了组态功能，这使得组态非常容易、简单。SIMATICS7-300具有多种不同的通信接口：多种通信处理器(用来连接AS-i接口和工业以太网总线系统)；串行通信处理器(用来连接点到点的通信系统)；多点接口(MPI)(集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统)。CPU支持下列通信类型：

(1)过程通信：通过总线(AS-i或PROFIBUS)对I/O模块周期寻址(过程映像交换)。

(2)数据通信：在自动控制系统之间、人机界面(HMI)和几个自动化功能块间相互调用。

S7-300的通信可以分为全局数据通信、基本通信及扩展通信3类，如图8-9所示。

图8-9S7的通信类型

(a)全局数据通信；(b)基本通信；(c)扩展通信

1.全局数据通信

全局数据通信(GD)通过MPI接口在CPU循环交换数据。全局数据可用来设置各CPU之间需要交换的数据存放的地址区和通信的速率。通信是自动实现的，不需要用户编程。当过程映像被刷新时，在循环扫描检测点进行数据交换，如图8-9(a)所示。

S7-300CPU每次最多可以交换4个包含22B的数据包，且最多可以有16个CPU参与数据交换。

通过全局数据通信，一个CPU可以访问另一个CPU的数据块、存储器位和过程映像等。全局通信用STEP7中的GD表进行组态。对S7、M7和C7的通信服务可以用系统功能块来建立。

2.基本通信

基本通信(非配置的连接)可以用于S7-300/400CPU。它通过MPI或站内的K总线(通信总线)来传送最多76  KB的数据。在用户程序中，用系统功能(SFC)来传送数据。在调用SFC时，通信连接被动态地建立，CPU需要一个自由的连接，如图8-9(b)所示。

3.扩展通信

扩展通信(配置的通信)也可以用于所有的S7-300/400CPU，通过MPI网、PROFIBUS网和工业以太网最多可以传送64KB的数据。通信是通过系统功能块(SFB)来实现的，支持有应答的通信。在S7-300中可以用SFB15“PUT”和SFB14“GET”来写出或读入远端CPU的数据，如图8-9(c)所示。

扩展的通信模块还能执行控制功能，例如控制通信对象的启动和停机。这种通信方式需要用连接表配置连接，被配置的连接在站启动时建立，并一直保持。8.3.2S7-300的通信方式及硬件选择

1. S7-300的通信方式

(1)单主站方式：单主站与一个或多个从站相连。

(2)多主站方式：通信网络中有多个主站，一个或多个从站。

(3)点对点连接：可以连接两台S7PLC和S5PLC，以及计算机、打印机、机器人控制系统、扫描仪等西门子设备。

(4)不用连接组态的MPI通信方式：不用连接组态的MPI通信可用于S7-300之间、S7-300/400之间、S7-300/400与S7-200之间的通信，是一种广泛、经济的通信方式。

(5) AS-i的主从通信方式：AS-i是单主站系统，AS-i通信处理器(CP)作为主站控制现场的通信过程。主从通信过程如图8-10所示，主站一个接一个地轮流询问每一个从站，询问后等待从站的响应。

图8-10AS-i的主从通信方式

2.硬件选择

为了实现PLC与计算机的通信，计算机应用微软公司的Windows操作系统可以配备下面3种设备中的一种：

(1)一条PC/PPI电缆，它的价格便宜，用得最多。

(2)一块通信处理器(CP)卡和MPI电缆。

(3)一块插在个人计算机中的MPI卡和配套的通信电缆。8.3.3S7-300的通信网络部件

1.通信接口

每个S7-300CPU模块上都有一个编程用的RS-485接口和MPI(多点接口)。有的CPU模块还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口、PtP(点对点)串行通信接口、MPI/DP接口等。S7-300不需要附加任何硬件、软件就可以建立一个MPI网络。如果有PROFIBUS-DP接口，还可以建立一个DP网络。其中，MPI用于PLC与其他西门子PLC、PG/PC(编程器与个人电脑)、OP(操作员接口)通过MPI网络的通信。CPU通过MPI接口或PROFIBUS-DP接口在网络上自动地广播它设置的总线参数(波特率)，PLC可以自动地“挂到”MPI网络上。而PROFIBUS-DP的传输速率最高(12Mb/s)，用于与其他西门子带DP接口的PLC、PG/PC、OP和其他DP主站和从站的通信。

2.网络连接器

利用西门子提供的两种网络连接器可以把多个设备很容易地连到网络中。两种网络连接器都有两组螺钉端子，可以连接网络的输入和输出。一种连接器仅提供连接到CPU的接口，而另一种连接器增加了一个编程器接口，如图8-11所示的两种网络连接器还有网络配置和终端配置的选择开关，该开关在ON位置时的内部接线如图8-12所示，在OFF位置时未接终端电阻。接在网络端部的连接器上的开关应放在ON位置。

图8-11网络连接器

图8-12开关在ON时的终端连接器接线图带有编程器接口的连接器可以把SIMATIC编程器或操作员面板接到网络中，而不用改动现有的网络连接。编程器接口的连接器把CPU的信号传到编程器接口，这个连接器对于连接从CPU获取电源的设备(例如操作员面板TD200或OP3)很有用。

3. PROFIBUS网络电缆

PROFIBUS电缆有其总的规范，如表8-2所示。

PROFIBUS网络电缆的最大长度依赖于通信的波特率和所用的类型。 表8-3列出了传输速率与网络段的最大电缆长度之间的关系。表8-2PROFIBUS网络电缆的规范表8-3PROFIBUS网络中段的最大长度4.网络中继器

中继器是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器是最简单的网络互联设备。它主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大，以此来延长网络的长度。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。从理论上讲，中继器的使用是无限的，所以网络也可以无限延长。事实上这是不可能的，因为网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。利用中继器可以在很大程度上延长网络距离，增加接入网络中的个数，并且可提供一个隔离不同网络段的方法。例如，波特率为9600b/s时，PROFIBUS允许一个网络最多可以有32个设备，最长距离为1200 m，每个中继器允许增加另外32个设备，可以把网络再延长1200m。最多可以使用9个中继器，网络最长可增加到9600m。每个中继器为网络段提供偏置和终端匹配。8.3.4通信接口在编程软件中的安装与删除

在STEP7中选择菜单命令“Options”→“SetPG/PC”将出现“SetPG/PCInterface”(设置PG/PC接口)对话框(如图8-13所示)。按“Select”(选择)按钮，出现安装/删除窗口(如图8-14所示)，可用来安装或删除通信硬件。对话框的左侧是可供选择的待安装的通信硬件，右侧是已经安装好的通信硬件。

图8-13设置PG/PC接口对话框

图8-14安装/删除窗口

1.通信硬件的安装

从安装/删除窗口左边的选择列表中选择要安装的硬件型号，窗口的下部显示的是对应硬件的属性描述。单击“Install→”(安装)按钮，选择的硬件将出现在右边的“Installed”(已安装)列表框中。安装完成后，单击“Close”(关闭)按钮，回到设置PG/PC接口对话框。

2.通信硬件的删除

在安装/删除窗口右边的已安装列表框中选择硬件，单击“←Uninstall”(删除)按钮，选择的硬件将被删除。8.3.5计算机使用的通信接口参数的设置

打开“SetPG/PCInterface”对话框时(如图8-13所示)，“S7ONLINE(STEP7)”应出现在“AccessPointoftheApplication”(应用的访问接点)列表中。

选择了“S7ONLINE(STEP7)”并安装好硬件后，需要设置通信的属性。首先应在“InterfaceParameterAssignment”(接口参数指定)列表中选择通信协议，MPI、ISA卡可选择4种通信协议，PC/PPI电缆只能选用PPI协议。

选择好通信协议后，单击设置PG/PC接口对话框中的“Properties”(属性)按钮，然后在弹出的窗口中设置通信参数。

1. PC/PPI电缆的PPI参数设置

如果使用PC/PPI电缆，在设置GP/PC接口对话框中单击“Properties”(属性)按钮，就会出现PC/PPI电缆(PPI)的属性窗口。

进行通信时，STEP7的默认设置为多主站PPI协议。此协议允许STEP7与其他主站(TD200与操作员面板)在网络中共为主站。选中PG/PC接口中PC/PPI电缆属性对话框中的“MultipleMasterNetwork”(多主站网络)，即可启动此模式，未选择时是单主站协议。使用单主站协议时，当前的编程设备(如STEP7-Micro/WIN)或者HMI(如TD200等)被假定是网络中的惟一主站，不能与其他主站共享网络。通过调制解调器通信或在噪声严重的网络上传输数据时，应使用单主站协议。按照下列步骤设置PPI参数：

(1)在PPI标签的“StationPararmeter”(站参数区)的“Address”(地址)框中设置地址。运行STEP7的计算机的默认地址为“0”。网络中的第一台可编程控制器的默认站地址为“2”，网络中的不同的站不能使用同一个站地址。

(2)在“Time-out”(超时)框中设置通信设备建立联系的最长时间，其默认值是1s。

(3)如果希望STEP7加入多主站网络，则应选择多主站网络复选框。使用调制解调器或WindowsNT4.0时，软件不支持多主站网络。

(4)设置STEP7在网络上通信的传输波特率。

(5)根据网络中的设备数量选择最高站地址，这时停止寻找网络中的其他主站的地址。

(6)单击“Loc