西门子工业网络通信课件精选 当文网提供.docx

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第1章　绪论

v1.1ＰＬC控制网络的基本特点和通信功能

v1．２　数据通信

v1.3　工业局域网概述

v1.4S７-3０0/40０PLC的通信网络概述

1．１　PLC控制网络的基本特点和通信功能

v1.ＰLC控制网络的基本特点

1）传输介质和链接组件标准化2）传输高可靠性３）良好的系统扩展性4）良好的覆盖面积

5）较高的数据传输速率

v2.PLC的通信功能

　　1）远程控制　2）ＰLC局域网络系统3）ＰLＣ与上位机进行点对点通信

1.2数据通信

v具有一定的编码、格式和位长要求的数字信号成为数据信息。

v数据通信是将数据信息通过适当的传送线路从一台机器传送到另一台机器。

v数据通信系统的任务是把地理位置不同的计算机和ＰLC及其他数字设备连接起来,高效率地完成数据的传送、信息交换和通信处理三项任务。

v数据通信系统组成

传送设备　　传送控制设备传送协议通信软件

１．２.１数据传输方式的分类

v１.串行传输与并行传输

１）串行传输　数据在一个信道上按位顺序传输的方式。

　特点：

一或两根传输线　远距离传输成本低　速度慢

２）并行传输数据在多个信道同时传输的方式。

　特点:

传输速度快传输线多，成本高

2.频带传输与基带传输

１）频带传输把信号调制到某一频带上的传输方式。

　三种调制方式:

　调幅调频调相

２）基带传输　　数据传输系统对信号不做任何调制,直接传输数据的传输方式。

　ＰLＣ网络大多采用基带传输。

　　基带传输方式使整个频带范围都用来传输某一数字信号，常用于半双工通信。

频带传输时，在同一传输线路上可用频带分割的方法将频带划分为几个信道,同时传输多路信号，常用于全双工通信。

3．异步传输和同步传输

1）异步传输　异步传输也称为起止式传输，它是利用起止法来达到收发同步的。

在异步传输中，被传输的数据编码为一串脉冲,每一个传输的字符都有一个附加的起始位和多个停止位。

字节传输由起始位“０”开始，然后是被编码的字节。

通常低位在前,高位在后，接下来是校验位（可省略）,最后是停止位“1”（可以是1位、1.5位或２位，用以表示字符的结束）。

2）同步传输同步传输是把每个完整的数据块（帧）作为整体来传输，而不是按异步传输时每个字符都附加起始位和停止位的方式传输，因此在需要传输大量数据块的场合用同步传输可以克服异步传输效率低的缺点。

为了使接收设备能够准确地接收数据块的消息，同步传输在数据开始处用同步字符“SYＮ”来指示，由定时信号（同步时钟）来实现发送端和接收端同步,一旦检测到与规定的字符相符合，接下去就是按顺序传输数据。

但同步传输所需要的软件、硬件的价格比异步传输的高,因此常在数据传输速率高的系统中才采用同步传输。

1.2.2传输速率和线路通信方式

v1.传输速率

　1）调制速率也称码元速率，是脉冲信号经过调制后的速率。

单位是波特,通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。

2）数据信号速率单位时间内通过信道的信息量，单位是比特/秒（ｂit/s）。

调制速率和数据信号速率在串行传输二进制调制信号时，两者的速率在数值上是相同的。

　通常,并不严格区分调制速率和数据信号速率，而是笼统地将它们称为传输速率，其单位是波特,即每秒传送二进制位数,用bit/s表示。

3）数据传输速率　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,通常以字符/分钟为单位。

v２．线路通信方式

1）单工通信方式信息的传输始终保持同一方向而不能进行反向的传输。

2）半双工通信方式信息流可以在两个方向上传输,但同一时刻只限于一个方向传输。

3）全双工通信方式　在同一个方向上同时发送和接收数据。

1．2．3　差错控制方式和检错码

v1.差错控制方式

　1）自动检错重发（ARQ）　2）前向纠错（FEC）3）混合纠错　4）不用编码的差错控制

v2．检错码

　奇偶校验码　循环冗余校验（CRC）码

1.2.４传输介质

工业数据通信系统可采用无线传输介质，如电磁波、红外线等。

也可采用双绞线、电缆、电力线、光缆等有线介质。

　传输介质的特性主要有：

1）物理特性:

传输介质的物理结构；

２）传输特性：

介质对数据传送所允许的速率、频率容量

3）连通特性:

点对点或一对多点的连接方式;

4）地理范围：

传输介质的最大传输范围;

５）抗干扰性：

传输介质防止电磁干扰等噪声对传输数据的影响能力;

６）性能价格比

1.2.4串行通信接口标准

v１.ＲS-23２C　标准

　是１969年由美国电子工业协会（ＥIＡ）所公布的穿行通信接口标准。

ＲＳ是recommenｄsｔａndａrd,232是标识号。

它既是一种协议标准,又是一种电气标准，它规定了终端和通信设备之间信息交换的方式和功能。

　RＳ-23２C一般使用9针或２5针的D型连接器，工业控制中9针连接器用得较多。

　　　当通信距离较近时,通信双方可以直接连接，最简单的情况在通信中不需要控制联络信号，只需要三根线便可以实现全双工异步串行通信。

v２．ＲS-４2２A／485

　4２2A为全双工通信,48５为半双工通信。

S７-200PLＣ接入网络时，其端口一般是作为端口1出现的,其各引脚的名称及其表示的意义如下表所示。

端口0为所连接的调试设备的端口。

引脚

名称

端口０/端口1

引脚

名称

端口0/端口1

1

屏蔽

机壳地

6

+５ｖ

+5v,100欧串联电阻

2

２4ｖ返回

逻辑地

7

+24v

+２4v

3

RＳ－48５信号Ｂ

RS-48５信号Ｂ

8

RS-485信号A

RS-４85信号A

4

发送申请

RTS（TTL）

9

不用

１0位协议选择（输入）

５

5ｖ返回

逻辑地

连接器外壳

屏蔽

机壳接地

１.3工业局域网概述

v１．3．1　计算机网络简介

　1．远程网　　2.局域网　3．分布式多处理器

v1.3.2　局域网的基础知识

１.网络拓扑结构

　星型网络总线型网络　环形网络

2.节点访问控制

　　令牌传输方式争用方式

3.通信网络协议

v１.3.3现场总线概述

1.现场总线的特点

1）信息集成度高

　2）系统的可靠性高、维护性能好

　3）开放性、互操作性、互换性、可靠性

　4）实时性好、成本低

2．现场总线的发展

　　通过现场总线将控制设备相互连接起来，即通过把每台设备的功能建立模型,使之成为相对独立的功能模块。

现场中的控制功能由这些功能块完成，而设备间的参数传递由这些功能块的互联实现。

1.4　　S7－300/40０PLＣ的通信网络概述

v1.4．1　工厂自动化系统网络

　金字塔结构，上层负责生产管理,底层负责现场检测和控制,中间层负责生产过程的监控和优化。

　ＩＳＯ企业自动化模型如图

１．4．2S７－3０0/4０0　PＬＣ的通信网络

1.工业以太网

　用于工厂管理层和车间监督层的通信系统,符合IＥEＥ802.3国际标准，用于对时间要求不太严格、需要传输大量数据的通信场合,可以通过网关来连接远程网络。

　　西门子公司的工业以太网的传输速率为10/１０0Ｍbｉt/ｓ,最多有１024个网络节点,网络的最大范围为1５0ｋm。

2.多点接口网络

　S７-300/400PLＣＣPＵ都集成了MPI通信协议,ＭＰI网络的物理层是ＲS－４8５,最大传输速率为12Mbit/s。

PLC通过MPＩ能同时连接运行STEP７的编程软件、计算机、ＨＭI及其他ＳIＭAＴICＳ7、Ｃ7和M7PLC等。

　　　STＥP７的用户界面提供了通信组态功能，使得通信的组态非常简单。

每个CPU可以使用的MＰI连接总数与CPU的型号有关，为6~64个。

3.PＲOFIBUS网络

PRＯFＩＢUS网络是用于车间级监控和现场层的通信系统它符合ＩEC6115８标准，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。

Ｓ７-300/4００　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。

　　ＰROFIBUＳ网络的物理层是RS-４8５，最大传输速率为1２Mｂit/ｓ，最多可以与127个网络上的节点进行数据交换网络中最多可以串接1０个中继器来延长通信距离。

使用光纤作为通信介质，通信距离可达90kｍ。

可以通过CP34２/34３将SIMＡTICS7-300PLC与PROFＩBUS-DP或工业以太网总线系统相连，可以连接的设备包括S7－3０0／400　PLC、S５-１１5Ｕ/H、编程器（PG）、个人计算机、SＩＭATIC人机界面、数控系统、机器人控制系统、工业ＰＣ、变频器和非西门子公司装置等。

4.执行器-传感器接口网络

ＡS－ｉ网络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，只能传输少量的数据。

5．点对点通信网络

　　使用西门子公司的ＰＲODAVE通信软件和编程用的PC／ＰM适配器,通过PLＣ的ＭＰI编程，可以方便地实现计算机与Ｓ7-300/４00PＬＣ的通信新。

第二章MPI通信

２.1　ＭPI概述

　ＭPI（MｕltiPoｉnｔIｎteｒfacｅ）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通信可使用PLCS７-2０0/30０/40０、操作面板TP／OＰ及上位机MPI/PRＯFIBUS通信卡,如CP55１2/CＰ5611/CP5613等进行数据交换。

　ＭPI网络的通信速率为19.2kbit/s~12Mｂit／s,通常默认设置为１87.5kbｉｔ/ｓ,只有设置为PＲOFＩＢUS接口的MPI网络才支持1２Mｂit/s的通信速率。

　MＰＩ网络最多可以连接32个节点,最大通信距离为50m，但是可以通过中继器来扩展长度。

2.２MPI网络

　　１.网络结构

每个编程器都有一个ＭPI接口。

ﻫ　通过ＣＰU的ＭＰI接口可以访问PLC上的所有智能模块,例如:

功能模块。

　每个MPI的连接节点都有自己的MPＩ地址（０到1２６,缺省设置为PＧ=0，OP／ＴD=1,　CPＵ=2）。

ﻫ　　在Ｓ7-300中,ＭPI总线在PLC中与K总线连接在一起,这意味着在Ｓ７-3００机架上K总线的每个节点（FM和ＣP）也是ＭPI的一个节点,也有自己的MPＩ地址。

ﻫ　　　在S7-40０中，MPI　（187.５　Kbps）的通讯模式被转换为内部K总线（10．5Mbｐs）。

在　Ｓ7－400的机架上,只有ＣＰU具有自己的MPI地址。

其它智能模块，例如FM和CＰ没有独立的MＰI地址。

可连接的设备ＭPＩ连接的优点是CＰＵ可以同时与多个设备建立通讯联系。

也就是说,编程器、HMＩ设备和其它的PLC可以在连接在一起并同时运行。

编程器通过ＭPI接口生成的网络还可以访问所连接硬件站上的所有智能模块。

MPI接口可同时连接的其它通讯对象的数目取决于CＰU的型号。

例如，CPU３14的最大连接数为４，CPU　4１6为６4。

2.通过中继器来扩展MPＩ网络长度

　1）两个站点之间没有其他站,如图示。

　　　最多可连接10个中继器,两个站点之间的最大距离为9100m。

　　　2）两个中继器间有MPI站

要用PROＦＩＢＵS总线连接器和PROFIBUＳ电缆。

　　　　　在MPI网络上最多可以有３2个站,当用中继器扩展时，中继器也占节点数。

２．４ＰLC-PＬC之间通过MPI通信

PＬC－PＬＣ的三种通信方式:

　全局数据包通信方式、无组态连接通信方式、组态连接通信方式

2．４.1全局数据包通信方式

　１.概述对于PLC之间的通信，只需要关心数据的发送区和接收区，在配置PLC硬件的过程中，组态所要通信的PＬC站之间的发送区和接收区,不需要任何程序处理。

只适合S7-3０0/４０0　ＰLC之间相互通信。

　2.网络配置如图

特点MＰI接口的主要特性为:

　•　RS4８5　物理接口

　　　•传输率为19.2　Kbpｓ或187.５Kbps或1.5　Mbps

　•　最大连接距离为50m　（２个相邻节点之间）,有中继器时为1１０0m　，采用光纤和星状连接时为２３.8kｍ

　•采用Ｐroｆibｕs（工业现场总线）元件（电缆、连接器）

连接器ﻩ安装MPＩ总线系统可选择两类连接器:

在下面所示的两个连接器中左边的是具有ＰG连接插口的标准连接器,用于MPI网络站之间的连接。

这一连接器同时可以与一个PG设备连接。

ﻫ右边没有PG连接插口的连接器,在不必连接ＰG时使用。

ﻫ为避免外走的总线，则在最后一个总线节点处必须连接一个终端电阻。

3.全局数据ﻩ

　在ＳＩMATIＣS7中,利用全局数据可以建立分布式PLC间的通讯联系而不必在用户程序中编写语句。

　通过全局数据的通讯不是通过程序而是利用组态来配置的。

需要交换的数据存在一个配置表中。

　　最多可以在一个项目中的１5个ＣＰＵ之间建立全局数据通讯。

它只能用来循环地交换少量数据。

ﻫ　　S７-４00CＰＵ还具有对全局数据交换的程序控制功能,因此可支持事件驱动的数据传送方式。

4．配置ﻩ

　使用“ＤeｆineGｌoｂaｌ　Data”工具可以对数据交换进行配置。

　首先打开全局数据表，在各列分配参与数据交换的各ＣPU。

ﻫ　　然后在各行中定义要传输的变量。

几乎所有CPU的地址区域（除了外部输入、输出和临时数据）都可以作为交换的变量，例如:

标志位、输入、输出、定时器、计数器和数据块中的数据。

5.全局数据包ﻩ

　　　具有相同seｎder/reｃeiｖeｒ（发送者/接受者）的全局数据，可以集合成一个全局数据包（GＤpacket）一起发送。

每个数据包用数据包号码（GDｐackｅtnｕmber）来标识,其中的变量用变量号码（vａrｉableｎumber）来标识。

6.全局数据组ﻩ

参与全局数据包交换的CＰU构成了全局数据组（GＤｃircle）。

每个全局数据组用数据组号码来标识（GD　circlenumｂer）。

一个全局数据组是全局数据包的一个确定的分配清单。

全局数据组中的每个CPＵ既可以发送也可以接收数据。

全局数据组有以下种类:

ﻫ　•组内包含2个以上的CPＵ,其中一个发送数据包,其它的CPＵ接收数据。

•组内只有2个ＣPU，每一个CPU可以既发送数据又接受数据。

GD１.1.1第一数据组中第一数据包里的第一个变量

GD1.２．1第一数据组中第二数据包里的第一个变量ﻫGDm.3.n第n数据组中第3数据包里的第m个变量

7.全局数据组的数量

　　S7-３00的每个ＣＰU可以参与最多4个不同的数据组。

ﻫ　　　在一个MPI网上最多可以有1５个CPU通过全局通讯来交换数据。

8.全局数据配置步骤

　生成硬件站、设定MＰI地址、连接网络、生成全局数据表

数据的容量ﻩ

S7-3０0：

一个CPＵ可包含4个全局数据组。

ﻫ　每个全局数据组中一个CPU最多只能发送和接收一个数据包。

　　每一个数据包中最多可包含2２个数据字节。

S７-400　:

一个CPU可包含1６个全局数据组。

ﻫ　　每个全局数据组中一个ＣPＵ最多只能发送一个数据包和接收两个数据包。

ﻩ

每一个数据包中最多可包含54个数据字节。

９.编译全局数据表

　•第一次编译后，生成了全局数据组和数据包。

接着可以为每个数据包定义不同　　的扫描率（scanrａtes）以及存储状态信息的地址。

•然后必须再次编译，使扫描率及状态信息存储地址等包含在配置数据中。

S7－３00/400MPI通信实例

2.4.2无组态连接通信方式　P２0

２．4．3组态连接通信方式　P２7

２.5S7　ＰＬC与HMI产品之间的MPI通信P30

第三章工业以太网

3.1工业以太网简介

3.1.1工业以太网的特点

ＩndustrｉalEthｅrｎet是为工业应用专门设计的,遵循国际标准IＥＥＥ8０2.３的开放式、多供应商的高性能的区域和单元网络。

　企业内部互联网（Intraneｔ）、外部互联网（Exｔranet）、国际互联网

以太网特点:

　西门子公司的工业以太网的传输速率为1０Mbiｔ/s或1０0Mbit/s，最多为102４个网络节点,网络的最大范围为1５０kｍ。

３.1.２工业以太网的构成

　　１）连接部件FC快速链接插座、电气连接模块（ELM）、电气交换模块（ESＭ）、光纤交换模块（OＳＭ）、光纤电气转换模块（MCTP1１）；

　2）通信媒体普通双绞线、工业屏蔽双绞线、光纤；

　３）SIMATICPＬC的工业以太网通信处理器；

　4）PG/PＣ的工业以太网通信处理器。

3.1.3　工业以太网的特性

　1.与IEEＥ8０2.３/802．3u兼容，使用ISO和TCＰ/IＰ通信协议;

２.10Mｂit／ｓ或10０Mbiｔ/s自适应传输速率;

　　3.DC２4v冗余供电;

4.简单的机柜导轨安装；

　5.能方便地组成星型、总线型和环形拓扑结构;

　　６.高速冗余的安全网络,最大网络重构时间为0.3s;

　7.用于严酷环境的网络元件，通过EＭＣ（电磁兼容性）测试；

　8．通过RJ－45接口、工业级的Ｓub-D连接技术和安装专用屏蔽电缆的FａstＣoｎｎect技术,确保现场电缆安装工作快速进行；

9．简单高效的信号装置不断地监视网络元件；

10.符合SＮMP网络管理协议；

　　　11.可以使用基于WＷW的网络管理器;

　１2．使用VB／ＶC或组态软件即可监控管理网络。

３.1.４　工业以太网的优势

应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、可持续发展潜力大

３．1.5工业以太网的技术发展趋势与前景

　1.工业以太网与现场总线相结合;

　　２．工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大趋势。

　在国家“８63”计划的支持下,国内许多大学开展了EPA（ＥtherｎetｆoｒAutomation）技术的研究，重点是研究以太网技术应用于工业控制现场设备间通信的关键技术。

3.2工业以太网的网络部件

3.2.1S7-3０0、400的工业以太网通信处理器　　S7-３00/400工业以太网通信处理器有以下特点：

　１.通过UＤP连接或群播功能可向多用户发送数据;2．CP443-1和ＣP443-1　IT可用网络时间协议提供时钟同步；3.可以选择KeepAlive功能;４．使用TＣP/IP的ＷAP功能，通过电话网络，CP可以实现远距离编程和对设备进行调试；5.可以实现ＯP通信的多路转换,最多连接1６个OＰ；6.使用集成在STEP7中的NＣM7软件，提供范围广泛的诊断功能,包括现实CＰ的操作状态,实现通用诊断和统计功能，提供链接诊断和LAN控制器统计及诊断缓冲区。

一。

CＰ3４3-1/CP443-１

ＣP３4３-1/CP44３-1通信处理器是分别用于S7－3０0和S7-４00的全双工以太网通信处理器，通信速率为1０Mbｉt／s或１00Mｂｉt／ｓ。

新CP34３-1Ｌeａｎ提供以下功能和性能特性:

·连接SIＭＡTICＳ7-３0０到InｄusｔｒiａlEthernet

-　使用ＥＲＴＥC2０0实时ASＩＣ

-集成的2口实时交换机　ﻫ－　带用于自动切换的Autosｅｎsinｇ和Auｔocrosｓover功能的10/100Mｂit/s　全／半双工连接ﻫ－2　个ＲJ45连接

-使用TCＰ和UDP传输协议和ＰＲOFINETIO的多协议运行　

-Keep　Ａlivｅ功能

·通讯服务ﻫ－开放的IＥ通讯（ＴCP／IP和ＵＤP）

-PG/ＯP通讯

-S7通讯（Seｒｖｅr）－S5兼容的通讯　（通过TCP／IＰ）　-PRＯFINETＩODevicｅ

·使用UＤP多播ﻫ·完全通过ＩndustrialEtherｎｅt进行远程编程和初始化运行ﻫ·通过SNＭP进行网络管理　ﻫ·使用ＩｎdusｔriａlEtherneｔNCMＳ７配置CP3４3-1Lｅan　（集成在STEP7中）ﻫ·通过S７Routinｇ　Trans-ｎetworｋPＧ/ＯP通讯

CP３４３-1Leａn是用来将SＩMATICＳ7-300　PLC连接到IndｕstrｉalEｔhｅrｎeｔ的通讯模块。

ＣP34３－１　Lｅaｎ有自己的微处理器,分担CPU的通讯负载并且允许附加的连接。

CP　3４3-1Lean使得S7-３０0能够与以下设备通讯:

·编程设备、电脑和HMI设备　·其它SIＭATICS7系统

·　SIMAＴICS５PLC　　　　·PROFINET　IＯ控制器

二。

ＰＣ／PＧ的工业以太网通信处理器

　1.ＣＰ161３

CP１6１3是一种带有微处理器的PCI插卡,用来将PG/PＣ连接到工业以太网。

使用AUＩ/IＴP接口或RJ45接口,可将PG／PＣ连接到以太网网络。

应用ＣP16１3可实现时钟的网络范围同步。

　８０２5人民币/台

２.CP1612/CＰ１512

　CＰ1612用于将ＰＣ/PＧ连接到工业以太网。

·1０/1０0Mｂit/s通讯速率自检测,支持全双工/半双工连接ﻫ·15针ITP接口·RJ45接口·基于SNMＰ的远程诊断

通讯服务

·ＴＣP/ＩP和UＤP传输协议　·PG/OP通讯　　·Ｓ7通讯·　Ｓ5兼容通讯

客户收益

·　可实现ＲJ4５连接·很好与SOFTNＥＴ配合·用于小规模安装　

　3.ＣP1５15　　CP１515是符合IEＥE802.11B的无线通信网卡,应用于RLM和可移动计算机。

３．3工业以太网的交换技术

1.交换技术　共享局域网　交换局域网

２.全双工模式

　　　在ＰROFＩBＵS中，SIMATIC的交换机通过“存储转发”和“切入”满足实时性要求。

存储转发:

交换机存储接收到的报文，并将它们排成一个队列。

这些报文将选择性地转发到可以访问的节点的特定端口。

在切入过程中,读取数据包的前6Ｂ（目标地址）后,马上将他们传送到目标端口。

3.电气交换模块（EＳM）和光纤交换模块（OSＭ）

4.SNＭP-OPCServer通过OPC软件对网络进行远程管理。

３.4自适应与冗余网络

1.自适应与自协商功能　2.冗余网络　3.SIMＡTＩCＮET的高速冗余

　　SIMATIC高速冗余网络控制技术

1）SIMAＴIＣNET的网络配置不会影响所连接的终端，在所有时间内都保证过程或应用的控制。

2）除了在１00Mbit/s光纤环中实现高速介质冗余外,OSM／ＥＳＭ为光纤环和网络段的高速冗余提供所需要的功能。

3）只要配置两个ＯＳM或ＥSＭ,OSM/ＥSM和工业以太网ＯLM环之间以及任何拓扑结构网络之间都可以进行互联。

3.５　两套S7-3０0之间的以太网通信

第四章　PROFIＢＵS通信

４．1PROFIＢＵS介绍

　开放的通信接口　透明的通信协议　　分散I/O装置和现场