独家版西门子工业通讯网络研究.docx
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独家版西门子工业通讯网络研究
毕业设计报告（论文）
报告（论文）题目：
西门子工业通讯网络研究
作者所在系部：
电子工程系
作者所在专业：
电气自动化技术
作者所在班级：
09242
作者姓名：
SMZ
作者学号：
指导教师：
叶昊
完成时间：
2012年6月10日
北华航天工业学院教务处制
北华航天工业学院电子工程系
毕业设计（论文）任务书
姓名：
SMZ
专业：
电气自动化
班级：
09242
学号：
指导教师：
叶昊
职称：
副教授
完成时间：
2012年6月10日
毕业设计（论文）题目：
西门子工业通讯网络研究
设计目标：
通过本次研究，深入理解西门子工业控制网络中的工业以太网，对西门子工业控制网络体系有进一步的了解。
技术要求：
1．了解西门子工业网络通信的背景。
2．掌握S7-200之间的的以太网通信。
3．会组态S7-200的Server端与Client端。
所需仪器设备：
计算机一台、S7-200PLC、STEP-7Micro/WIN编程软件
成果验收形式：
论文
参考文献：
《西门子工业网络通信指南》、《现场总线网络》、《西门子工业自动化项目设计实践》
时间
安排
1
5周---6周
立题论证
3
9周---13周
仿真调试
2
7周---8周
方案设计
4
14周---16周
成果验收
指导教师：
教研室主任：
系主任：
摘要
论文的研究工作是以西门子工业网络通信为背景展开的，先介绍了以太网技术的诞生及发展，接着介绍了工业以太网和西门子工业以太网的类型及其网络硬件和网络部件。
研究了西门子S7-200PLC以太网的解决方案，详尽的介绍了S7-200之间的以太网通信并对S7-200Server端和Client端的组态方法作了介绍。
最后介绍了S7-200以太网的FTP功能。
关键词西门子工业网络通信工业以太网FTP功能
第1章绪论1
1.1以太网的诞生1
1.2以太网的发展史1
1.3以太网技术2
第2章工业以太网6
2.1与传统以太网络的比较6
2.2以太网应用与工业自动化中的关键问题及发展方向7
2.3以太网为用户带来的利益7
第3章西门子工业以太网9
3.1什么是SIMATICNET9
3.2SIMATICNET工业以太网9
第4章S7-200的以太网解决方案18
4.1硬件连接18
4.2硬件需求和软件需求19
4.3网络组态及参数设置19
第5章S7-200以太网的FTP功能24
5.1FTPServer功能24
5.2FTPClient功能26
第6章结论27
致28
参考文献29
西门子工业通讯网络研究
第1章绪论
1.1以太网的诞生
以太网技术的思想渊源最早可以追溯到1968年。
以太网的核心思想是使用共享的公共传输信道，这个思想源于夏威夷大学。
上世纪60年代末，夏威夷大学的NormanAbranmson及其同事研制了一个名为ALOHA（夏威夷人问候语，即“欢迎、再见”的意思）系统的无线网络。
Metcalfe是世界著名的研究结构——Xerox的帕洛阿尔托研究中心（PARC）的计算机科学实验工作的网络专家。
1972年底，Metcalfe和DavidBoggs世纪了一套网络，用于将不同的ALTO计算机连接起来，同时又把NOVA计算机连接到EARS激光打印机。
在研制过程中，Metcalfe将其命名为ALTOALOHA网络，因为该网络以ALOHA系统为基础，同时连接了众多的ALTO计算机。
这个世界上第一个个人计算机局域网络——ALTOALOHA网络首次在1973年5月22日开始运转。
这一天，Metcalfe写了一段备忘录，称他将该网络改名为以太网（Ethernet），其灵感来自于“电磁辐射是可以通过发光的以太来传播的这一想法”。
最初的实验型PARC以太网以2.94Mbit/s的速度运行。
1976年，PARC的实验型以太网已经发展到100个节点，在长1000m的粗同轴电缆上运行。
1976年6月，Metcalfe和Boggs发表了题为《以太网：
局域网的分布型信息包交换》的著名论文。
1977年底，多点传输系统被称为CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetectionnetwork，带碰撞检测的载波侦听多址访问）。
从此，以太网诞生了。
1979年，DEC（DigitalEquipmentCorp，数字设备公司（美国）、Intel和Xerox共同将此网络标准化，正式定名为以太网。
1.2以太网的发展史
●XeroxPARC创建首个以太网（1972~1977）
●DEC、Intel和Xerox将以太网标准化（1979~1983）
●1989年ISO以标准号ISO8023采纳802.3以太网标准，至此，IEEE（InstituteofElectricalandElecttonicsEngineer,电工与电子工程师学会）标准802.3正式得到国际上的认可
●交换式和全双工制以太网出现（1990~1994）
●工业趋势（1995）
●千兆以太网出现（1999）
1.3以太网技术
在局域网家族中，以太网是遵守IEEE802.3标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络。
以太网也是当前主要应用的一种局域网（LAN——LocalAreaNetwork，局域网）类型。
目前的以太网按照传输速率大致分为以下四种：
●10Base-T以太网——传输介质是同轴电缆，传输速率为10Mbit/s：
●快速以太网——传输速率为100Mbit/s，采用光缆或双绞线作为介质，兼容10Base-T以太网；
●Gigabit以太网——扩展的以太网协议，传输速率为1Gbit/s，采用光缆或双绞线作为传输介质，基于当前的以太网标准，兼容10Mbit/s以太网和100Mbit/s以太网的交换机和路由器设备；
●10Gigabit以太网——2002年6月发布，是一种速度更快的以太网技术。
支持智能以太网服务，是未来广域网（WAN——WideAreaNetwork）和城域网（MAN——MetropolitanAreaNetwork）的解决方案。
1.OSI参考模型
通信网络的核心是OSI（OSI——OpenSystemInterconnection,开放系统互连）参考模型。
为了理解互联网络的操作方法，为创建和实现网络标准，设备和互联网络规划提供的一个框架。
1984年，国际标准化组织（ISO——InternationalOrganizationforStandardizaion）提供了开放系统互连的七层模型，即OSI模型。
给模型自下而上分为：
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，如图1-1所示。
7应用层
6表示层
5会话层
4传输层
3网络层
2数据链路层
1物理层
图1-1OSI参考模型
OSI参考模型的上三层通常称为应用层，用来处理用户接口、数据格式和应用的访问：
下四层负责定义数据的物理传输介质和网络设备。
OSI参考模型提供了大多数协议共有的基本框架，如图1-2所示。
图1-2数据传输过程
物理层——定义了传输介质、连接器和信号发生器的类型，规定了物理连接的电气、机械功能如电压、传输速率、传输距离等特性。
数据链路层——确定传输站点物理地址以及将消息传送协议栈，提供顺序控制和数据流控制。
该层可以继续分为两个子层：
介质访问控制层（MAC——MediumAccessControl,介质访问控制层）和逻辑链路层（LLC——LogicalLinkControl（layer）逻辑链路控制（层）），即层2a和2b。
其中IEEE802.3（Ethernet，CSMA/CD）就是MACA层常用的通信标准。
网络层——定义设备间通过逻辑地址（IP——InternalProtocol，因特网协议地址）传输数据，连接位于不同广播域的设备，常用组织路由。
传输层——建立互会话连接。
分配服务访问点（SAP——ServiceAccessPoint，服务访问点），允许数据进行可靠（TCP——TransmissionControlProtocol，传输控制协议）或不可靠（UDP——UserDatagramProtocol，用户数据报协议）的传输。
可以提供通信质量检测服务（QoS——QualityofService，服务质量）。
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。
表示层——提供多种编码用于应用的数据转化服务。
应用层——定义用户及应用程序接口以协议对网络访问的切入点目前各种应用版本较多，很难建立一种统一的标准。
在工控领域常用的标准是MMS（多媒体信息服务）（制造业消息规），用来描述制造业应用的服务和协议。
数据经过封装后通过戒指传输到网络上，接受设备除去附加信息后，将数据上传到上层堆栈层。
2.CSMA/CD技术
在传统共享网络中，由于以太网段中的所有站点采用相同的物理介质相连，这就意味着两台设备间同时发送信号时，就会出现信号间的相互冲突。
为了解决这个问题，以太网规定，在一个站点访问介质前，他首先必须监听网络上有没有其他的站点在同时是使用该介质。
如果介质被使用，则该站点在发送前必须等待。
这就是CSMA/CD技术。
为了减少冲突发生的几率，出现了一些算法，常用的有：
持续CSMA、非持续CSMA、p-持续CSMA。
3.以太网的交换技术
以太网交换机（Switch），也称为交换器、交换式集线器，是为了改善以太网负载较重时的网络拥塞问题而出现的。
它采用将共享的局域网进行有效的冲突域划分技术，各个冲突域之间用交换机连接，以减少CSM/CD机制带来的冲突问题和错误传输，使每个端口独享整个介质带宽，是局域网可以高度扩展。
在一个完整的交换网络中，整个网络只有交换机和通信节点，没有集线器，交换机首先接收节点发来的数据，再将数据转发到另一个冲突。
且在交换网络中，通信节点只同交换机做数据交换而相互之间不直接进行数据通信。
交换网络采用全双工的通信方式，股可以认为是无冲突的网络。
交换机是利用MAC地址工作在OSI参考模型第二层（数据链路层）的设备，与集线器或其他工作在第一层（物理层）的网络设备相比，交换机有许多优点：
●连接冲突域/子网
中继器和集线器属于物理层的设备，因而受到冲突域的限制，而交换机可以通过部交换技术，将各冲突域进行划分和连接，从而将局域网的围扩展到150km，同时保证每个网络节点享有全部带宽。
●数据交换
由于采用MAC地址访问技术，本地的数据交换仅被限制在本冲突域。
中继器和集线器是所有的端口共享带宽，而交换机是独享带宽。
交换机根据目前的MAC地址表示选择，将数据转发到相关的数据接口，减轻网络负载。
●错误帧限制
第二层设备可以进行基本的数据包检测，因而错误帧以及错误报告将不再被传送。
在一个网段发生的冲突不会被转发到其他网段，避免“泛洪”和“风暴”。
●并行通信
交换机可以处理不同网段之间的多个数据包。
根据端口数据数量的不同，交换机可以在通信设备之间建立多个临时或者动态的连接，并行进行数据交换。
4.以太网扩展
随着信息量的急剧增长，网络流量也可以超乎想象的速度激增，这就要求网络不断的进行扩展和提高性能，目前千/万兆以太网已经广泛使用，特别是在工作环境趋向与互相协作、通常共享大量数据以及具有集中应用和多任务的场合更是如此。
（1）无线以太网式以太网的逻辑扩展无线局域网的主要指标是IEEE802.11，该标准又继续延伸出802.22b，802.11a和802.11g标准。
目前已被绝大多数无线设备厂商采用，数据速率可达11Mbit/s。
IEEE802.11g标准定义速率可达54Mbit/s，将为新一代无线局域网提供更快的数据速率、更远的覆盖距离以及更高的安全性。
多种新型无线设备能够接入企业网和局域网，这扩展了无线以太网解决方案的应用围。
其中包括配置无线网卡的便携式计算机和台式机、带有建无线网设备的PDA（个人数据子助理）和掌上电脑、互联网接入应用和VOIP。
（2）存储区域网络（SAN）和网络连接存储（NAS）两种替代方案的兴起和流行快速增长的电子和电子商务导致IP网络数据量的剧增。
数据流量的增加促使数据存储脱离传统直接连接存储模式（DAS），演变为网络的一种基础设施。
SAN和NAS的功能互补为补充。
而因特网工程（任务）部（IETF）提出的基于TCP的SCSI（小型计算机系统接口）方案、IETF与（ANSI——美国国家标准协会）共同提出的基于IP的光缆方案、ANSI提出的光纤骨干网方案，以及基于纯IP的存储方案等等各种新兴技术将为、服务提供商、企业和其他组织提供一系列高速、低成本、远程存储解决方案。
（3）城域网中的以太网
千兆位以太网向桌面的移植助长了服务器和企业干线对10kM位以太网的需求。
10kM位以太网的出现能够满足高速网络的多种关键需求，包括比当前替代技术更低的拥有成本、灵活性、以及与现有以太网络的互操作性。
综合所有这些因素，使得10kM位以太网成为城域网（MAN）的最佳选择。
在城域网中实现以太网，将把以太网的速度和成本优势与光网络的传输距离和可靠性完美地结合起来。
作为悠久历史的网络技术之一，以太网利用其出色的性价比、灵活性、互操作性提供新的被验证的优势，以及不断涌现的新产品和构建模块，将提供更卓越的性价比特性和优势，必将得到飞速的发展。
第2章工业以太网
2.1与传统以太网络的比较
工业网络与传统办公网络相比，有一些不同之处，如表2-1所示。
表2-1工业网络与传统办公网络的比较
办公室网络
工业网络
应用场合
普通办公场合
工业场合、工况恶劣，抗干扰性要求较高
拓扑结构
支持线形、环形、星形等结构
支持线形、环形、星形等结构，并便于各种结构的组合和转换，简单的安装，最大的灵活性和模块性，高扩展能力
可用性
一般的实用性需求、允许网络故障时间一秒分钟计
极高的使用性需求，允许网络故障时间<300ms以避免法生产停顿
网络监控和维护
网络监控必须由专业人员使用专业工具完成
网络监控成为工厂监控的一部分，网络模块可以被HMI软件如WinCC监控，故障模块容易更换
工业以太网产品的设计制造必须充分考虑并满足工业网络的需求。
工业现场对工业以太网产品的要求包括：
●工业生产现场环境的高温、潮湿、空气污浊以及腐蚀性气体的存在，要求工业级的产品具有气候环境适应性，并要求耐腐蚀、防尘和防水。
●工业生产现场的粉尘、易燃易爆和有毒性气体的存在，需要采取防保措施保证安全生产。
●工业生产现场的振动、电磁干扰大，工业控制网络必须具有机械性（如耐振动、耐冲击）、电磁环境适应性或电磁兼容性（EMC）等。
●工业网络器件的供电，通常是采用柜低压直流电源标准，大多的工业环境中控制柜所需电源为低压24V直流。
●采用标准导轨安装，安装方便，是用于工业环境安装的要求。
工业网络器件要能方便的安装在工业现场控制柜，并容易更换。
2.2以太网应用与工业自动化中的关键问题及发展方向
1.以太网实时通信服务
交换式以太网、全双工以太网和虚拟局域网技术的出现，以及自适应的100Mbit/s快速以太网的成功运行降低了以太网响应时间过长，吞吐量低、冲突率高的不利影响，使得以太网也可以应用于实时性要求较高的工业控制领域。
在PROFInetV2.0中，采用加入实时通道的技术，减小处理通信栈所需的时间，极改善了网络的影响，是网络实时性得到根本性的改善。
2.统一的应用层、用户层系以规
工业自动化系统包括数据传输的通信和指令传输的通信，为了满足通信一致性和可互操作性，需要制定统一的协议规，以满足开放系统的要求。
3.网络可用性
即网络生存性，包括工业以太网的可靠性、可恢复性、可维护性等。
即保证一个网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序、操作系统，甚至网络系统的崩溃瘫痪。
环形冗余以太网技术的发展在一定程度上解决了可靠性的问题。
4.与IT技术结合
目的是建立现场级和管理级以及工程设计系统和操作员系统之间统一的通信网络，并将这些总线网络集成到IT网络之中，用户可以从中央部门通过Internet网络执行上层管理任务。
5.应用在工业现场过程控制底层
建立现场车间级生产信息网络，对现场设备，如生产设备、测试设备、条形器、PC及以太网设备进行控制，完成车间级生产信息及产品质量信息的管理。
2.3以太网为用户带来的利益
以太网以高达80﹪的市场占有率毫无疑问的成为当今LAN（局域网）领域中首屈一指的网络。
以太网的优越性能，为用户带来巨大的利益：
●简单的连接系统，调试快速；
●灵活性高，可扩展现有的设备而不影响系统运行；
●借助于冗余网络拓扑结构提供高可用性，面向未来的兼容扩展性，保护投资的安全性；
●通过交换技术可缩放的性能，提供高度可扩展的通信性能；
●不同应用领域的联网，例如办公室环境和生产应用环境的联网；
●通过接入WAN（广域网）可实现世界围和公司之间的通行，例如ISDN（综合服务数字网）或Internet；
●工业以太网作为基于组件的自动化（CBA——ComponentBasedAutomation）的基础，发展出PROFIBUS用户组织（PI——PROFIBUSInternational，PROFIBUS国际组织）的PROFINET。
第3章西门子工业以太网
西门子公司在工业以太网领域有着丰富的经验和领先的解决方案。
其中SIMATICNET工业以太网基于经过现场验证的技术，符合IEEE802.3标准并提供10Mbit/s以及10010Mbit/s快速以太网技术。
经过多年的实践，SIMATICNET工业以太网的应用已多于400000个节点，遍布世界各地，用于严酷的工业环境，并包括由高强度电磁干扰的地区。
如图3-1所示。
图3-1工业以太网
3.1什么是SIMATICNET
西门子公司通过SIMATICNET提供了开放的、适用于工业环境下各种控制级别的不同的通信系统。
这些通信系统均基于国家和国际标准，符合ISO/OSI网络参考模型。
SIMATICNET包括以下容：
●组成通信网络的媒介、媒介附件和传输组件以及相应的传输技术
●数据传输的协议和服务
●用于连接PLC或PC的通信模板
3.2SIMATICNET工业以太网
1.基本类型
（1）10Mbit/s工业以太网应用基带传输技术，基于IEEE802.3，利用CSMA/CD介质访问方法的单元级、控制级传输网络。
传输速率为10Mbit/s，传输介质为同轴电缆、屏蔽双绞线或光纤。
（2）100Mbit/s快速以太网基于以太网技术，传输速率为100Mbit/s，传输介质为屏蔽双绞线或光纤。
2.网络硬件
（1）传输介质网络的物理传输介质主要根据网络连接距离、数据安全以及传输速率来选择。
通常在西门子网络中使用的传输介质包括：
●2芯电缆，无双绞，无屏蔽（例如：
AS-interfacebus）
●2芯双绞线，无屏蔽
●2芯屏蔽双绞线（例如：
PROFIBUS）
●同轴电缆（例如：
IndustrialEthernet）
●无线通信（例如：
红外线和无线电通信）
在西门子工业以太网中，通常使用的物理介质是屏蔽双绞线（TP）、工业屏蔽双绞线（ITP）以及光纤。
（2）网络部件
①工业以太网链路层模块OLM、ELM
依照IEEE802.3标准，利用电缆和光纤技术，SIMATICNET连接模块使得工业以太网的连接变的更为方便和灵活。
硬件特性
OLM（光链路模块）有3个ITP接口和两个BFOC借口。
ITP接口连接3个终端设备或网段，BFOC接口可以连接两个光路设备（如OLM等），速度为10Mbit/s。
如图3-2所示。
ELM（电气链路模块）有3个ITP接口和1个AUI接口。
通过AUI接口，可以将网络设备连接至LAN，速度为10Mbit/s，如图3-3所示。
图3-2工业以太网OLM图3-3工业以太网ELM
②工业以太网交换机OSM、ESM工业以太网交换机OSM/ESM（Optical/ElectricalSwitchModule）可以连接更多的站点，将以太网扩展到更大的围。
OSM的产品包括：
OSMTP62、OSMTP22、OSMITP53、OSMITP62-LD和OSMBC08。
从型号就可以确定OSM的连接端口类型及数量，如OSMITP62-LD，其中ITP表示OSM上有ITP电缆接口，“6”代表电气接口数量，这里指带有6个ITP电缆接口，“2”代表光缆接口数量，LD代表长距离，如图3-4所示。
ESM的产品包括：
ESMTP40、ESMTP80和ESMITP80，命名规则和OSM相同。
图3-5为ESMTP80。
图3-4OSMITP62-LD图3-5ESMTP80
OSM/ESM的基本功能：
●提高网络性能
●简化网络配置和网络扩展
●限制错误帧的影响
●地址学习
●地址删除
●设置传输波特率及自适应
●数据包的VLAN优先权标签
OSM/ESM网络拓扑
●OSM总线型
OSM支持总线型拓扑，通过光纤接口，最多可以有50个OSM级联在同一总线上，如图3-6所示。
图3-6OSM的以太网总线拓扑结构
1—ITP标准电缆9/152—TP软线9/RJ-453—光缆
OSM环形拓扑，如图3-7所示。
图3-7OSM的环形拓扑结构
ESM可以通过TP/ITP电缆相连组成总线型网络，任何一个端口都可以作为级联的端口使用。
两个ESM之间的距离不能超过100m，整个网络最多可以连接50个ESM，网络的最长距离为5km。
如图3-8。
图3-8ESM总线型拓扑
2——ITPXP标准电缆9/93——TP软线9/RJ-454——ITP标准电缆9/15
●ESM环形拓扑如图3-9所示
图3-9ESM冗余环形拓扑
2——使用SIMATICNET双绞线的结构化布线
③工业以太网交换机（ELS）ELS（ElectricalLeanSwitch，简单电器交换机）也是一种交换机设备，只有TP接口，功能比ESM/OSM简单。
产品包括ELSTP40、ELSTP40M和ELSTP80。
图3-10所示为ELSTP40。
④工业以太网链路模块OMC除了交换机模块，西门子以太网产品中的光链路模块还有OMC（OpticalMediaConverter，光链路模块），用于通过光纤与电缆的转换来扩展网络距离，如图3-11所示。
图3-10ELSTP40图3-11OMC模块
（3）通信处理器常用的工业以太网通信处理器（CP——CommunicationProcesser，通信处理单元），包括用在S7PLC站上的处理器CP243-1系列、CP443-1系列等。
①S7-200系列CP243-1是为S7-200系列PLC设计的工业以太网通信处理器。
通过CP243-1模块，用户可以很方便地将S7-200系列PLC通过以太网进行连接，并且支持使用SETP7-Micro/WIN32软件，通过以太网对S7-200进行远程组态、编程和诊断。
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