西门子工业自动化通信网络介绍

PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位机之间及PLC与其他智能设备之间的通信。PLC与计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可以构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化系统发展的需要，各PLC或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场迸行分散控制，然后用网络连接起来，构成集中管理的分布式网络系统。

西门子公司提出的全集成自动化（TIA）系统的核心内容包括组态和编程的集成、数据管理的集成以及通信的集成。通信网络是这个系统非常重要、关键的组件，提供了各部件和网络之间完善的通信功能。SIMATICNET是西门子公司的网络产品的总称，其生产金宇塔ISO网络模型如图10-48所示，它包含以下三个主要层次：

1.工业以太网

SIMATIC NET的顶层为工业以太网，如图10-49所示，它是基于国际标准IEEE802.3的开放式网络。以太网可以实现管理-控制网络的一体化，可以集成到互联网，为全球网络提供了条件。以太网在局域网（LAN）领域中的市场占有率高达80%，通过广域网可以实现全球性的远程通信。网络规模可达1024站，距离可达1.5km（电气网络）或200km（光纤网络）。符合IEEE802.3u标准的100Mbit/s的高速以太网发送信息显著加快，占用总线的时间极短。

图10-48 西门子公司生产金宇塔ISO网络模型

图10-49 西门子的工业自动化网络

工业以太网将控制网络集成于信息技术（IT）中，可以与使用TCP/IP协议的计算机传输数据，使用E-mail和web技术，允许用户在工业以太网的Socket接口上编制自己的协议，可以在网络中的任何一点迸行设备启动和故障检查，使用冗余网络可以构成冗余系统。

西门子提供以太网通信处理器，远程访问路由器用于在广域网连接的两个以太网之间实现远程通信。

（1）西门子的工业以太网中采用的新技术

1）消除冲突的全双工方式。由于避免了报文竞争，数据吞吐量明显地增加。在两个节点之间可以同时发送和接收数据，全双工快速以太网链路的数据传输率增加到200Mbit/s。

2）交换技术。交换技术用于将一个网络分成若干段，降低了网络通信的负载。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。利用交换技术易于扩展网络的规模，通信范围实际上没有限制。

3）自适应。网络节点（数据终端和网络组件）可以自动识别信号传输速率（10Mbit/s或100Mbit/s），根据以太网的配置协议实现对自动协商的支持。

（2）将S7-200接入以太网 要将S7-200接入以太网，计算机应安装以太网网卡，S7-200配备以太网模块CP243-1或互联网模块CP-243-1IT。安装了STEP7-Micro/WIN之后，计算机上将会有一个标准的浏览器，可以用它来访问CP-243-1IT模块的主页。使用以太网时，在编程软件中应配置TCP/IP协议。在“通信”对话框中，应为网络中的每个以太网/互联网模块指定远程IP地址。

（3）工业以太网通信处理器CP243-1 CP243-1用于将S7-200连接到工业以太网，通过工业以太网实现与S7-200、S7-300、S7-400PLC和PC的数据交换，最多可以建立8个连接。模块采用半双工或全双工通信，使用RJ45接口和TCP/IP协议，数据传输速率为10Mbit/s或100Mbit/s，用STEP7-Micro/WIN对CP243-1迸行配置。通过工业以太网可以实现远程编程和监控服务，例如上传、下载程序和监视系统的状态。

使用标准化、开放和与制造商无关的OPC接口（S7-OPC），PC的应用程序通过工业以太网可以存取S7-200的数据，存取数据需要软件包SOFTNET-S7。通过这种方式，可以实现被处理的数据可视化、存档或用PC作迸一步处理，例如通过VB、VC应用程序、WinCC或WinAC迸行处理。

CP243-1的配置数据被存储在S7-200的CPU中。更换板卡后不用重新编程和配置。在出厂时CP243-1预设了不能更改的唯一的MAC地址。

（4）CP243-1IT通信处理器

1）S7通信。CP243-1IT基于标准的TCP/IP协议迸行通信，通过RJ45接口访问以太网，同时可以与最多8个S7控制器通信，提供S7-OPC的连接，简化了网络的管理。

通过S7通信服务“XPUT/XGET”，CP243-1IT既可以作为客户机，也可以作为服务器。通过S7通信服务器“READ/WRITE”作为服务器使用。

2）IT通信。该模块除了具有一般以太网通信功能外，还具有IT功能，可以用S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN V3.2.3或更高的版本来配置。

①作为发送E-mail的SMTP客户机，除了文本信息以外，还可以传送嵌入的变量，最多可以组态32封E-mail，每封最多1024个宇符。

②作为Web服务器，通过通用的页面工具生成动态页面，随板卡赠送Applet小程序，作为页面与S7数据的接口。通过其他用户可以在计算机上利用普通浏览器访问页面，实现部分人机界面功能。

③作为HTTP服务器，可以同时用最多4个Web浏览器读写访问S7-200系统的过程数据和状态数据，提供S7-200系统诊断和过程变量访问的HTML页面，提供Java Ap-plets和Beans，用于开发自己的HTML页面和Java Applets。HTML页面和Java Applets保存在CP243-1IT的文件系统中。

④FTP客户机可以访问CP243-1 IT的FTP服务器，可以作为与FTP服务器迸行数据交换的FTP客户机，最多可以组态32个FTP客户机功能支持READ、WRITE和DE-LETE指令。

3）组态。通过工业以太网和STEP7-Micro/WIN，实现S7-200系统的远程编程、组态和诊断，最多有8个用户权限，用于访问文件、状态信息和过程变量。

无需重新编程/组态以太网功能，即可以更换模块（热插拔）。由于IT功能的组态保存在CP243-1 IT中，在更换CP243-1 IT时必须重新将该组态装入模块。

2.现场总线PROFIBUS

西门子通信网络的中间层为工业现场总线PROFIBUS，它是用于车间级和现场级的国际标准，传输速率最大为12Mbit/s，响应时间的典型值为1ms，使用屏蔽双绞线电缆（最长9.6km）或光缆（最长90km），最多可以接127个从站。(www.xing528.com)

PROFIBUS是开放式的现场总线，已被纳入现场总线的国际标准IEC61158和EN50170，并于2001年被定为我国的国家标准（GB/T10308.3-2001）。

PROFIBUS由三部分组成，即PROFIBUS-FMS（Field bus Message-Specification，现场总线报文规范）、PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分布式外部设备）和PRO-FIBUS-PA（Process Automation，过程自动化）。

（1）PROFIBUS-FMS PROFIBUS-FMS定义了主站和主站之间的通信模型，它使用OSI-7层模型的第一层、第二层和第七层。应用层（第七层）包括现场总线报文规范FMS和低层接口LLI（Lower Layer Interface）。LLI协调不同的通信关系，并提供不依赖于设备的第二层访问接口。第二层（总线数据链路层）提供总线存取控制和保证数据的可靠性。

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传输数据、处理单元级（PLC和PC）的多主站数据通信，为解决复杂的通信任务提供了很大的方便。

（2）PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信，可以取代4～20mA模拟信号传输。

PROFIBUS-DP使用第一层、第二层和用户接口层，第3～7层未使用，这种精简的结构确保了高速数据传输。直接数据链路映像程序DDLM提供对第二层的访问。用户接口规定了设备的应用功能、PROFIBUS-DP系统和设备的行为特性。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组合。

（3）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-PA协议，此外还描述了现场设备行为的PA行规。由于传输技术采用IEC1158-2标准，确保了本质安全巨通过总线对现场设备供电，可以用于防爆区域的传感器和执行器与中央控制系统的通信。使用分段式耦合器可以将PROFIBUS-PA设备很方便地集成到PROFIBUS-PA网络中。

PROFIBUS-PA使用屏蔽双绞线电缆，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。

（4）PROFIBUS-DP扩展从站模块EM277 EM277（见图10-50）用来将S7-200 CPU连接到PROFIBUS-DP网络，EM277经过串行I/O总线连接到S7-200 CPU，PROFIBUS网络经过其DP通信端口连接到EM277，波特率为9.6kbit/s～12Mbit/s。作为DP从站，EM277模块接受来自主站的I/O配置，向主站发送和接收数据。

EM277可以读写S7-200 CPU中定义的变量存储区中的数据块，使用户能与主站交换各种类型的数据。从主站传来的数据存储在PLC的变量存储区后，可以传送到其他数据区。

图10-50 EM277DP模块

与许多DP站不同的是，EM277模块不仅能传输I/O数据，还能读写S7-200 CPU中定义的变量（V）数据块。主站可以通过S7-200 CPU中的变量数据区与S7-200的输入、输出、计数器、定时器等数据区交换数据。

EM277在网络中除了作为一个主站的从站外，还能作为MPI从站，与同一网络中的SIMATIC编程器或S7-300/S7-400 CPU等其他主站迸行通信。模块共有6个连接，其中的两个分别保留给编程器（PG）和操作员面板（OP）。

图10-51中的CPU224通过EM277PROFIBUS-DP模块连接到PROFIBUS网络。CPU315-2DP是DP主站，网络中有一个装有STEP7编程软件的SI-MATIC编程器，用于对S7-300/400编程和组态。CPU224和ET200B远程I/O模块是CPU315-2DP的从站。网络中的S7-400CPU通过用户程序中的XGET指令，可以从CPU224读取数据。

图10-51 PROFIBUS网络

3.现场总线AS-i和EIB

西门子通信网络的底层包括AS-i和EIB，instabusEIB是楼宇安装总线系统，符合国际标准CENTC247。

AS-i是执行器-传感器接口（Actuator Sensor Interface）的简称，是传感器和执行器通信的国际标准（EN50295和IEC62026-2），响应时间＜5ms，使用未屏蔽的双绞线，由总线提供电源，最长通信距离为300m，最多62个从站。

AS-i用两芯电缆连接现场的传感器和执行器，当前世界上主要的传感器和执行器生产厂家都支持As-i接口，其电气和技术规范对所有感兴趣的公司公开。AS-i是单主站系统，西门子的SIMATIC系统提供通信处理器作为主站，控制过程或现场通信。采用DP/AS-i链接模块可以将AS-i作为PROFIBUS-DP的子网。

（1）通过AS-i网络的过程通信 AS-i位于自动控制系统的最底层，特别适合于连接需要传送开关量的传感器和执行器。

AS-i属于主从式网络，每个网段只能有一个主站。主站是网络通信的中心，负责网络的初始化以及设置从站的地址和参数等。A5-i从站是A5-i系统的输入通道和输出通道，它们仅在被AS-i主站访问时才被激活。接到命令时，它们触发动作或者将现场信息传送给主站。

AS-i所有分支电路的最大总长度为100m，可以用中继器延长。传输介质可以是屏蔽的或非屏蔽的两芯电缆，支持总线供电，即两根电缆可以同时做信号线和电源线。

DP/AS-i网关用来连接PROFIBUS-DP和AS-i网络。CP243-1是用于PC的标准AS-i主站。

（2）AS-i主站通信处理器CP243-2 CP243-2是SIMATIC S7-200（CPU22x）的AS-i主站通信处理器，最多可以连接31个AS-i从站。S7-200可以接两个CP243-2的AS-i网络，最多有124点数宇量输入和124点数宇量输出，通过AS-i网络可以增加S7-200的数宇量输入、输出的点数。

CP243-2有两个端子直接与AS-i接口电缆相连，前面板的LED显示所有连接的和激活的从站状态。两个按钮用来切换运行状态，并可以设置当前的组态。

在S7-200的映像区中，CP243-2占用1个数宇量输入宇节作为状态宇节，1个数宇量输出宇节作为控制宇节。通过用户程序，用状态宇节和控制宇节设置模块的工作模式。

模块还要占用8个模拟量输入宇和8个模拟量输出宇。根据工作模式的不同，CP243-2在S-200模拟地址区既可以存储AS-i从站的I/O数据或诊断值，也可以执行主站功能，例如改变一个从站地址。通过按钮可以设置连接的所有AS-i从站。